बायोफ़िल्टर

बायोफिल्ट्रेशन प्रदूषण नियंत्रण तकनीक है जिसमें प्रदूषकों को पकड़ने और जैविक रूप से निम्नीकृत करने के लिए जीवित सामग्री वाले बायोरिएक्टर का उपयोग किया जाता है। इस प्रकार से सामान्य उपयोगों में अपशिष्ट जल का प्रसंस्करण, सतही अपवाह से हानिकारक रसायनों या गाद को पकड़ना और वायु में दूषित पदार्थों का सूक्ष्मजैविक ऑक्सीकरण सम्मिलित है। जिससे औद्योगिक बायोफिल्ट्रेशन को अस्थिर कार्बनिक यौगिकों, गंधों और हाइड्रोकार्बन को हटाने के लिए जैविक ऑक्सीकरण का उपयोग करने की प्रक्रिया के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है।

जैव निस्पंदन के उदाहरण
इस प्रकार से बायोफिल्ट्रेशन के उदाहरणों में सम्मिलित हैं:
 * बायोस्वेल्स, बायोस्ट्रिप्स, बायोबैग, बायोस्क्रबर्स, वर्मीफ़िल्टर और ट्रिकलिंग फिल्टर
 * आर्द्रभूमियों और आर्द्रभूमियों का निर्माण किया गया
 * धीमी रेत फिल्टर
 * अपशिष्ट स्थिरीकरण तालाब
 * हरी बेल्ट
 * हरी दीवारें
 * तटवर्ती क्षेत्र, तटवर्ती वन, जंगल
 * द्विवार्षिक जैवसंचय

वायु प्रदूषण पर नियंत्रण
इस प्रकार से जब वायु निस्पंदन और शुद्धिकरण के लिए प्रयुक्त किया जाता है, तब बायोफिल्टर वायु प्रदूषण को दूर करने के लिए सूक्ष्मजीवों का उपयोग करते हैं। वायु भरे हुए बेड से बहती है और प्रदूषक पैकिंग सामग्री की सतह पर पतली बायोफिल्म में स्थानांतरित हो जाती है। जिससे बैक्टीरिया और कवक सहित सूक्ष्मजीव बायोफिल्म में स्थिर रहते हैं और प्रदूषक को नष्ट कर देते हैं। अतः ट्रिकलिंग फिल्टर और बायोस्क्रबर बायोफिल्म और उनके पुनरावर्ती जल में जीवाणु क्रिया पर निर्भर करते हैं।

इस तकनीकी का सर्वाधिक उपयोग दुर्गन्धयुक्त यौगिकों और वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों (वीओसी) के उपचार में होता है। जिसमे प्रौद्योगिकी का उपयोग करने वाले उद्योगों में खाद्य और पशु उत्पाद, अपशिष्ट, जल उपचार सुविधाओं से ऑफ-गैस, फार्मास्यूटिकल्स, लकड़ी के उत्पाद विनिर्माण, पेंट और कोटिंग्स अनुप्रयोग और विनिर्माण और राल विनिर्माण और अनुप्रयोग इत्यादि सम्मिलित हैं। चूंकि उपचारित यौगिकों में सामान्यतः मिश्रित वीओसी और हाइड्रोजन सल्फाइड विभिन्न सल्फर यौगिक सम्मिलित होते हैं। इसके अतिरिक्त अधिक उच्च वायु प्रवाह का उपचार किया जा सकता है और चूंकि सामान्यतः उच्च क्षेत्र (पदचिह्न) की आवश्यकता होती है - उच्च बायोफिल्टर (>200,000 एसीएफएम) फुटबॉल मैदान की तुलना में अधिक या अधिक भूमि पर अधिकृत कर सकता है - यह प्रौद्योगिकी की प्रमुख अभाव में से है. अतः 1990 के दशक की प्रारंभ से, इंजीनियर्ड बायोफिल्टर ने पारंपरिक फ्लैट-बेड, ऑर्गेनिक मीडिया प्रकार की तुलना में महत्वपूर्ण पदचिह्न में कमी प्रदान की है।

इष्टतम बायोफ़िल्टर संचालन की मुख्य चुनौतियों में से पूरे प्रणाली में उचित नमी बनाए रखना है। बेड में प्रवेश करने से पूर्व वायु को सामान्यतः वाटरिंग (स्प्रे) प्रणाली, आर्द्रीकरण कक्ष, बायो स्क्रबर, या बायो ट्रिकलिंग फिल्टर के साथ आर्द्र किया जाता है। अतः पीट, वनस्पति नमी घास की छाल या लकड़ी के चिप्स जैसे प्राकृतिक जैविक पैकिंग मीडिया को उचित रूप से बनाए रखा जा सकता है। जो अनेक वर्षों तक चल सकता है। किन्तु इंजीनियर, संयुक्त प्राकृतिक कार्बनिक और सिंथेटिक घटक पैकिंग सामग्री सामान्यतः 10 साल तक लंबे समय तक चल सकती है। अनेक कंपनियां इस प्रकार की मालिकाना पैकिंग सामग्री और बहु-वर्षीय विश्वास प्रदान करती हैं, जो की सामान्यतः पारंपरिक खाद या लकड़ी के चिप बेड बायोफिल्टर के साथ प्रदान नहीं की जाती हैं।

चूंकि व्यापक रूप से नियोजित, वैज्ञानिक समुदाय अभी भी बायोफ़िल्टर ऑपरेशन को रेखांकित करने वाली भौतिक घटनाओं के बारे में अनिश्चित है, और इसमें सम्मिलित सूक्ष्मजीवों के बारे में जानकारी विकसित की जा रही है। इस प्रकार से बायोफिल्टर/बायो-ऑक्सीकरण प्रणाली निर्माण और संचालन के लिए अधिक सरल उपकरण है और व्यय प्रभावी समाधान प्रदान करता है, परंतु कि प्रदूषक मध्यम समय सीमा (बढ़ते निवास समय = बढ़े हुए आकार और पूंजीगत व्यय) के अन्दर, उचित सांद्रता में बायोडिग्रेडेबल हो (और पौंड/घंटा लोडिंग दरें) और वायुधारा जीव-व्यवहार्य तापमान पर है। बड़ी मात्रा में वायु के लिए, बायोफ़िल्टर एकमात्र व्यय प्रभावी समाधान हो सकता है। कोई द्वितीयक प्रदूषण नहीं है (भस्मीकरण के स्तिथि के विपरीत जहां ईंधन जलाने से अतिरिक्त CO2 और NOx उत्पन्न होता है) और क्षरण उत्पाद अतिरिक्त बायोमास, कार्बन डाइऑक्साइड और जल बनाते हैं। मीडिया सिंचाई जल, हालांकि कई प्रणालियाँ परिचालन निवेश को कम करने के लिए इसके कुछ भाग का पुनर्चक्रण करती हैं, इसमें मध्यम रूप से उच्च जैव रासायनिक ऑक्सीजन मांग (बीओडी) होती है और निपटान से पहले उपचार की आवश्यकता हो सकती है। चूंकि, किसी भी जैव-ऑक्सीकरण प्रणाली के उचित रखरखाव के लिए आवश्यक यह "ब्लोडाउन वॉटर" सामान्यतः नगर निगम के सार्वजनिक स्वामित्व वाले उपचार कार्यों द्वारा बिना किसी पूर्व उपचार के स्वीकार किया जाता है।

इस प्रकार से बायोफिल्टर का उपयोग कोलंबिया फॉल्स, मोंटाना में प्लम क्रीक टिम्बर कंपनी के फ़ाइबरबोर्ड प्लांट में किया जा रहा है। अतः बायोफ़िल्टर विनिर्माण प्रक्रिया द्वारा उत्सर्जित प्रदूषण को कम करते हैं और उत्सर्जित निकास 98% साफ़ होता है। तब प्लम क्रीक में अधिक नवीन और अधिक उच्च बायोफिल्टर की व्यय $9.5 मिलियन है, तथापि यह नवीन तकनीकी बहुमूल्य है, लंबे समय में इसमें प्राकृतिक गैस द्वारा ईंधन वाले वैकल्पिक निकास-सफाई भस्मक की तुलना में कम ओवरटाइम व्यय होगा (जो पर्यावरण के अनुकूल नहीं हैं) दोस्ताना)।

जल उपचार
बायोफिल्ट्रेशन को पहली बार 1893 में इंग्लैंड में अपशिष्ट जल उपचार के लिए एक ट्रिकलिंग फिल्टर के रूप में पेश किया गया था और तब से इसे विभिन्न प्रकार के जल के उपचार के लिए सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है। इस प्रकार से 1900 के दशक की प्रारंभ से यूरोप में पीने के प्रयोजनों के लिए सतही जल को फ़िल्टर करने के लिए जैविक उपचार का उपयोग किया जाता रहा है। और अब भी किया जाता है। संसार में सभी स्थान पर अधिक रुचि प्राप्त हो रही है। अर्थात जल की गुणवत्ता में वृद्धि करते हुए जल के प्रतिस्थापन को कम करने के एक विधि के रूप में मानी जाती है, और अपशिष्ट जल उपचार, जलीय कृषि और ग्रेवाटर रीसाइक्लिंग में बायोफिल्टरेशन भी समान है।

बायोफिल्ट्रेशन प्रक्रिया
बायोफिल्टर मीडिया का एक बेड है। जिस पर सूक्ष्मजीव जुड़ते हैं। और बढ़ते हुए एक जैविक परत बनाते हैं जिसे बायोफिल्म कहा जाता है। इस प्रकार बायोफिल्ट्रेशन को सामान्यतः एक निश्चित-फिल्म प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है। सामान्यतः, बायोफिल्म विभिन्न सूक्ष्मजीवों (बैक्टीरिया, कवक, खमीर, आदि), मैक्रो-जीवों (प्रोटोजोआ, कीड़े, कीड़ों के लार्वा, आदि) और बाह्य कोशिकीय बहुलक पदार्थों (ईपीएस) (फ्लेमिंग और विंगेंडर, 2010) के एक समुदाय द्वारा बनाई जाती है।). वायु या जल एक मीडिया बेड के माध्यम से प्रवाह है और किसी भी निलंबित यौगिकों को एक सतह बायोफिल्म में स्थानांतरित किया जाता है जहां सूक्ष्मजीवों को प्रदूषकों को नष्ट करने के लिए रखा जाता है। इस प्रकार से बायोफिल्म का भाग सामान्यतः चिपचिपा और मैला होता है।

इस प्रकार से उपचारित किए जाने वाले जल को मीडिया पर अपफ्लो या डाउनफ्लो के माध्यम से रुक-रुक कर या निरंतर डाला जा सकता है। और सामान्यतः, बायोफिल्टर में दो या तीन चरण होते हैं, जो फीडिंग रणनीति (रिसेप्शन या जलमग्न बायोफिल्टर) पर निर्भर करता है:


 * एक ठोस चरण (मीडिया);
 * एक तरल चरण (जल);
 * एक गैसीय चरण (वायु)।

अतः कार्बनिक पदार्थ और अन्य जल घटक बायोफिल्म में फैल जाते हैं जहां उपचार होता है, और अधिकतर बायोडिग्रेडेशन द्वारा होता है। बायोफिल्ट्रेशन प्रक्रियाएँ सामान्यतः सेलुलर श्वसन एरोबिक श्वसन होती हैं, जिसका अर्थ है कि सूक्ष्मजीवों को अपने चयापचय के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है। जिससे बायोफिल्म को ऑक्सीजन की आपूर्ति जल के प्रवाह के साथ-साथ या विपरीत दिशा में की जा सकती है। और वातन प्रक्रिया के माध्यम से वायु के प्राकृतिक प्रवाह (त्रिचरण बायोफिल्टर) या ब्लोअर द्वारा आपूर्ति की गई बलपूर्वक वायु द्वारा निष्क्रिय रूप से होता है।

सूक्ष्मजीवों की गतिविधि प्रक्रिया प्रदर्शन का प्रमुख कारक है। और मुख्य प्रभावित करने वाले कारक हैं। जल की संरचना, बायोफिल्टर हाइड्रोलिक लोडिंग, मीडिया का प्रकार, फीडिंग रणनीति (ट्रिकलिंग या जलमग्न मीडिया), बायोफिल्म की उम्र, तापमान, वातन, आदि।

इस प्रकार से वह तंत्र जिनके द्वारा कुछ सूक्ष्मजीव बायोफिल्टर के फिल्टर मीडिया की सतह पर जुड़ सकते हैं और उपनिवेश बना सकते हैं, परिवहन, प्रारंभिक आसंजन, फर्म अटैचमेंट और उपनिवेशण के माध्यम से हो सकते हैं [वान लूसड्रेक्ट एट अल।, 1990]। फ़िल्टर मीडिया की सतह पर सूक्ष्मजीवों के परिवहन को प्रसार (ब्राउनियन गति), संवहन, अवसादन और सूक्ष्मजीवों की सक्रिय गतिशीलता की चार मुख्य प्रक्रियाओं द्वारा नियंत्रित किया जाता है। समग्र निस्पंदन प्रक्रिया में सूक्ष्मजीव अटैचमेंट, सब्सट्रेट उपयोग सम्मिलित होता है जो बायोमास विकास को बायोमास पृथक्करण का कारण बनता है।।

फिल्टरिंग मीडिया के प्रकार
इसके अतिरिक्त अधिकांश बायोफ़िल्टर रेत, कुचली हुई चट्टान, नदी की बजरी, या छोटे मोतियों और छल्लों के आकार के प्लास्टिक या सिरेमिक सामग्री जैसे मीडिया का उपयोग करते हैं।

लाभ
यद्यपि जैविक फिल्टर में सरल सतही संरचनाएं होती हैं, उनकी आंतरिक हाइड्रोडायनामिक्स और सूक्ष्मजीवों की जीव विज्ञान और पारिस्थितिकी सम्मिश्र और परिवर्तनशील होती है। यह विशेषताएँ प्रक्रिया को शक्ति प्रदान करती हैं। और दूसरे शब्दों में, प्रक्रिया में अपने प्रदर्शन को बनाए रखने या बिना किसी प्रवाह, गहन उपयोग, विषाक्त शॉक, मीडिया बैकवॉश (उच्च दर बायोफिल्टरेशन प्रक्रियाओं) आदि की अवधि के पश्चात् प्रारंभिक स्तर पर तेजी से लौटने की क्षमता होती है।

अतः बायोफिल्म की संरचना सूक्ष्मजीवों को कठिन पर्यावरणीय परिस्थितियों से बचाती है। और बायोमास को प्रक्रिया के अंदर बनाए रखती है, तब भी जब परिस्थितियां इसके विकास के लिए इष्टतम नहीं होती हैं। इसलिए बायोफिल्ट्रेशन प्रक्रियाएँ निम्नलिखित लाभ प्रदान करती हैं: (रिटमैन एट अल., 1988):


 * क्योंकि सूक्ष्मजीवों को बायोफिल्म के अन्दर बनाए रखा जाता है, बायोफिल्ट्रेशन अपेक्षाकृत कम विशिष्ट विकास दर वाले सूक्ष्मजीवों के विकास की अनुमति देता है;
 * बायोफ़िल्टर परिवर्तनीय या रुक-रुक कर लोडिंग और हाइड्रोलिक शॉक के प्रति कम संवेदनशील होते हैं;
 * परिचालन व्यय सामान्यतः सक्रिय कीचड़ की तुलना में कम होती है;
 * अंतिम उपचार परिणाम बायोमास पृथक्करण से कम प्रभावित होता है क्योंकि बहिःस्राव में बायोमास सांद्रता निलंबित बायोमास प्रक्रियाओं की तुलना में बहुत कम है;
 * संलग्न बायोमास प्रक्रिया ट्रेन में निश्चित बिंदु पर अधिक विशिष्ट (प्रासंगिक जीवों की उच्च सांद्रता) हो जाता है क्योंकि कोई बायोमास रिटर्न नहीं होता है।

अभाव
क्योंकि बायोमास के निस्पंदन और विकास से फ़िल्टरिंग मीडिया में पदार्थ का संचय होता है, इस प्रकार की निश्चित-फिल्म प्रक्रिया बायोक्लॉगिंग और फ्लो चैनलिंग के अधीन होती है। जिसके अनुप्रयोग के प्रकार और माइक्रोबियल वृद्धि के लिए उपयोग किए जाने वाले मीडिया के आधार पर, भौतिक और/या रासायनिक विधिों का उपयोग करके बायोक्लॉगिंग को नियंत्रित किया जा सकता है। बायोमैट को बाधित करने और जब भी संभव हो प्रवाह को बहाल करने के लिए वायु और/या जल का उपयोग करके बैकवाश चरणों को प्रयुक्त किया जा सकता है। ऑक्सीकरण (पेरोक्साइड, ओजोन) या बायोसाइड एजेंटों जैसे रसायनों का भी उपयोग किया जा सकता है।

पीने का जल
इस प्रकार से पीने के जल के लिए, जैविक जल उपचार में जल की गुणवत्ता में सुधार के लिए सतही जल में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले सूक्ष्मजीवों का उपयोग सम्मिलित होता है। अपेक्षाकृत कम मैलापन और उच्च ऑक्सीजन सामग्री सहित इष्टतम परिस्थितियों में, जीव जल में सामग्री को तोड़ते हैं और इस प्रकार जल की गुणवत्ता में सुधार करते हैं। और धीमी रेत फिल्टर या कार्बन फिल्टर का उपयोग समर्थन प्रदान करने के लिए किया जाता है जिस पर यह सूक्ष्मजीव बढ़ते हैं। यह जैविक उपचार प्रणालियाँ जल से होने वाली बीमारियों, घुले हुए कार्बनिक कार्बन, सतही जल में गंदगी और रंग को प्रभावी रूप से कम करती हैं, जिससे समग्र जल की गुणवत्ता में सुधार होता है।

सामान्यतः पीने के जल के उपचार में; दानेदार सक्रिय कार्बन या रेत फिल्टर का उपयोग लोहे और नाइट्रेट के स्तर को कम करके जल वितरण पाइपों में सूक्ष्मजीवों के पुन: विकास को रोकने के लिए किया जाता है। जो सूक्ष्म पोषक तत्व के रूप में कार्य करते हैं। और जीएसी कीटाणुशोधन की प्रथम पंक्ति के रूप में कार्य करके क्लोरीन की मांग और अन्य कीटाणुशोधन उप-उत्पाद संचय को भी कम करता है। बायोफिल्म के रूप में फ़िल्टर मीडिया से जुड़े बैक्टीरिया ऊर्जा और कार्बन स्रोत दोनों के रूप में कार्बनिक पदार्थों को ऑक्सीकरण करते हैं, यह अवांछित बैक्टीरिया को इन स्रोतों का उपयोग करने से रोकता है जो जल की गंध और स्वाद को कम कर सकते हैं [बाउवर, 1998]। यह जैविक उपचार प्रणालियाँ जल से होने वाली बीमारियों, घुले हुए कार्बनिक कार्बन, सतही जल में गंदगी और रंग को प्रभावी रूप से कम करती हैं, जिससे समग्र जल की गुणवत्ता में सुधार होता है।

अपशिष्ट जल
बायोफिल्ट्रेशन का उपयोग भिन्न-भिन्न कार्बनिक संरचना और सांद्रता वाले स्रोतों की विस्तृत श्रृंखला से अपशिष्ट जल के उपचार के लिए किया जाता है। और बायोफिल्ट्रेशन अनुप्रयोगों के अनेक उदाहरण साहित्य में वर्णित हैं। इस प्रकार से पशु अपशिष्टों लैंडफिल निक्षालन, डेयरी अपशिष्ट जल, घरेलू अपशिष्ट जल के उपचार के लिए बेस्पोक बायोफिल्टर विकसित और व्यावसायीकरण किया गया है।

यह प्रक्रिया बहुमुखी है क्योंकि इसे छोटे प्रवाह (<1 m3/d) जैसे ऑनसाइट सीवेज के लिए अनुकूलित किया जा सकता है साथ ही नगर पालिका द्वारा उत्पन्न प्रवाह (> 240 000 m3/d) के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। विकेन्द्रीकृत घरेलू अपशिष्ट जल उत्पादन के लिए, जैसे कि पृथक आवासों के लिए, यह प्रदर्शित किया गया है कि आधुनिक परिवारों की जीवनशैली से संबंधित हाइड्रोलिक और जैविक उत्पादन दरों में महत्वपूर्ण दैनिक, साप्ताहिक और वार्षिक उतार-चढ़ाव होते हैं। इस संदर्भ में, सेप्टिक टैंक के पश्चात् स्थित बायोफिल्टर उपचार प्रदर्शन से समझौता किए बिना देखी गई परिवर्तनशीलता को बनाए रखने में सक्षम शक्तिशाली प्रक्रिया का गठन करता है।

अवायवीय अपशिष्ट जल उपचार सुविधाओं में, बायोगैस को बायो-स्क्रबर के माध्यम से खिलाया जाता है और वातन टैंक से सक्रिय कीचड़ तरल के साथ "स्क्रब" किया जाता है। [बायो-स्क्रबर का उपयोग करके अवायवीय बायोगैस से हाइड्रोजन सल्फाइड को हटाना - साइंसडायरेक्ट] अपशिष्ट जल उपचार में सबसे अधिक पाया जाने वाला ट्रिकलिंग फिल्टर प्रक्रिया (टीएफ) है [चौधरी, 2003]। ट्रिकलिंग फिल्टर एरोबिक उपचार है जो अपशिष्ट जल से कार्बनिक पदार्थ को हटाने के लिए संलग्न माध्यम पर सूक्ष्मजीवों का उपयोग करता है।

प्राथमिक अपशिष्ट जल उपचार में, जैव निस्पंदन का उपयोग जैव रासायनिक ऑक्सीजन, मांग, रासायनिक ऑक्सीजन मांग और निलंबित ठोस पदार्थों के स्तर को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। जिससे तृतीयक उपचार प्रक्रियाओं में, जैव निस्पंदन का उपयोग कार्बनिक कार्बन के स्तर को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है [कार्लसन, 1998]।

जलीय कृषि में उपयोग
इस प्रकार से बायोफिल्टर का उपयोग बंद जलीय कृषि प्रणालियों में, जैसे रीसर्क्युलेटिंग जलीय कृषि प्रणाली (आरएएस) समान है। विभिन्न लाभों और अभाव के साथ अनेक डिज़ाइनों का उपयोग किया जाता है, चूंकि कार्य ही है: अमोनिया को नाइट्रेट में परिवर्तित करके जल के आदान-प्रदान को कम करना है। अमोनिया (NH4+ और NH3) जलीय जंतुओं के गलफड़ों से ब्रैकियल उत्सर्जन और कार्बनिक पदार्थों के अपघटन से उत्पन्न होता है। चूँकि अमोनिया-एन अत्यधिक विषैला होता है, इसे नाइट्राइट के कम विषैले रूप में (नाइट्रोसोमोनास एसपी द्वारा) और फिर नाइट्रेट के और भी कम विषैले रूप में (नाइट्रोबैक्टर एसपी द्वारा) परिवर्तित किया जाता है। इस नाइट्रीकरण प्रक्रिया के लिए ऑक्सीजन (एरोबिक स्थितियों) की आवश्यकता होती है, जिसके बिना बायोफिल्टर क्रैश हो सकता है। इसके अतिरिक्त, चूंकि यह नाइट्रीकरण चक्र H+ उत्पन्न करता है, और pH कम हो सकता है जिसके लिए चूने (सामग्री) जैसे बफ़र्स के उपयोग की आवश्यकता होती है।

यह भी देखें

 * बायोरिटेंशन
 * फोकवॉल
 * मीडिया फ़िल्टर
 * वर्मीफ़िल्टर

अग्रिम पठन

 * Biofilter Bags SE-14. (2012). California Stormwater BMP Handbook, 1–3. Retrieved from https://www.cityofventura.ca.gov/DocumentCenter/View/13163/CASQA-Guidance-SE-14-Biofilter-Bags.

बाहरी संबंध

 * Bioswales and strips for storm runoff - California Dept. of Transportation (CalTrans)