कच्च्या तेलापासून गॅसोलीन किंवा डिझेलसारख्या उत्पादनांची निर्मिती करणाऱ्या तेल शुद्धीकरण कारखान्यांमध्ये वाफ निर्मिती तसेच उष्मांतरण यांसारख्या प्रक्रियांसाठी पाण्याचा मोठ्या प्रमाणात वापर केला जातो. हे पाणी नंतर औद्योगिक अपशिष्टाच्या स्वरूपात बाहेर टाकले जाते. त्यामध्ये नायट्रोजन संयुगांसह इतर जैविक व अजैविक अशा घातक प्रदूषकांचा समावेश असतो. हे टाकाऊ पाणी सुरक्षितपणे बाहेरील पर्यावरणात सोडून देता यावे यासाठी त्यावर अनेक टप्प्यात प्रकिया करून त्यातील घातक प्रदूषक घटक काढून टाकले जातात. असे औद्योगिक अपशिष्ट जल अधिकाअधिक शुद्ध करण्यासाठी आर्थिकदृष्ट्या व्यवहार्य आणि पर्यावरणीयदृष्ट्या सुरक्षित अशा जलसंस्करण प्रक्रियांच्या आणखी कोणत्या पायऱ्या असू शकतील याचा शोध संशोधक सातत्याने घेत आहेत.  

प्रदूषक घटक काढून टाकण्यासाठी जीवाणू व तत्सम इतर सूक्ष्मजीवांचा वापर करणाऱ्या फिल्टरला बायोफिल्टर म्हणजेच ‘जैवगाळक’ म्हणतात. या संदर्भात, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी मुंबई) येथील संशोधकांनी केलेल्या बायोफिल्टर्सवरील अलीकडच्या अभ्यासात एक महत्वाचे निरीक्षण समोर आले आहे. तेल शुद्धीकरण करखान्यांमधून सोडण्यात आलेल्या अर्ध-प्रक्रियाकृत पाण्यामध्ये प्रदूषक नष्ट करू शकतील असे जीवाणू आधीच उपस्थित असतात असे दिसून आले आहे. या जीवणूंना काम करण्यासाठी आधार म्हणून केवळ एक अधःस्तर (सब्स्ट्रेट) देण्याची गरज आहे असे संशोधकांच्या लक्षात आले. त्यासाठी त्यांनी शुद्ध क्वार्ट्झ वाळूच्या थराचा उपयोग केला.

या अभ्यासामध्ये बायोफिल्टर (जैवगाळक) म्हणून वाळूच्या गुणधर्मांचा अभ्यास केला गेला.

आयआयटी मुंबई येथील पर्यावरण शास्त्र व अभियांत्रिकी विभागातील प्राध्यापिका सुपर्णा मुखर्जी म्हणाल्या, “आम्ही वाळू हा पदार्थ निवडला कारण जलसंस्करण आणि सांडपाणी प्रक्रियेसाठी डीप बेड फिल्टर्समध्ये वाळू सर्वसामान्यपणे वापरली जाते.”

संशोधकांनी ४५ सेंटीमीटर लांब व २ सेंटीमीटर व्यास असलेल्या ॲक्रीलिक सिलेंडरच्या बायोफिल्टरची रचना केली. त्यामध्ये १५ सेंटीमीटर खोलीपर्यंत शुद्ध क्वार्ट्झ  वाळू भरण्यात आली. ज्या पाण्यावर विषारी रसायने काढून टाकण्याची शुद्धीकरण प्रक्रिया झालेली आहे, असे तेल-शुद्धीकरण कारखान्यातील अपशिष्ट जल या बायोफिल्टरमधून १ ते १० मिलिलिटर प्रति मिनिट या नियंत्रित गतीने सोडण्यात आले. अपशिष्ट जल जेव्हा वाळूमधून वाहते तेव्हा वाळूच्या कणांभोवती जिवाणूंमधून स्रवलेल्या एक्स्ट्रासेल्युलर पॉलिमेरिक पदार्थांच्या जाळ्यामध्ये गुंफल्या गेलेल्या वेगवेगळ्या प्रकारच्या जीवाणूंचे एक आवरण (बायोफिल्म) तयार होते.

जीवाणूंची बायोफिल्म कशी तयार होते हे स्पष्ट करताना प्रा. मुखर्जी म्हणाल्या, “जेव्हा पाणी अधःस्तरातील वाळूमधून वाहते तेव्हा त्या पाण्यातील किंवा अपशिष्ट जलातील जीवाणू वाळूवर चिकटतात. तेथे जीवाणूंची संख्या वाढते. जीवाणू एक्स्ट्रासेल्युलर पॉलिमेरिक पदार्थाचा स्त्राव बाहेर टाकतात व वाळूच्या कणांभोवती त्याची बायोफिल्म, म्हणजेच एक जैविक आवरण तयार होते. पाण्यात विरघळलेला ऑक्सिजन आणि पाण्यातील सेंद्रिय कार्बन व इतर पोषक घटकांवर हे जीवाणू जगतात.”

ही बायोफिल्म पाण्यातील जैविक प्रदूषक खाऊन टाकते. नायट्रोजन असलेल्या जैविक संयुगांचे विघटन होताना अमोनियमच्या स्वरूपात असेंद्रिय नायट्रोजन बाहेर पडतो व पुढे त्याचे रूपांतर नायट्रेट मध्ये होते. काही प्रमाणात नायट्रेट काढून टाकले गेले असले, तरी बायोफिल्ट्रेशन नंतर नायट्रेट साठलेले आढळून आले.

संशोधक गटाने रासायनिक ऑक्सिजन मागणी (केमिकल ऑक्सिजन डिमांड), एकूण सेंद्रिय कार्बन (टोटल ऑरगॅनिक कार्बन) आणि मिसळण्यायोग्य सेंद्रिय कार्बन (असीमिलेबल ऑरगॅनिक कार्बन) यांचे विश्लेषण केले. या घटकांवरून पाण्यातील विविध सेंद्रिय संयुगांची उपस्थिती समजते. रासायनिक ऑक्सिजन मागणी व एकूण सेंद्रिय कार्बन यांच्या विश्लेषणावरून संशोधकांना पाण्यातील जैविक प्रदूषकांच्या तीव्रतेचा अंदाज बांधता आला. विशेष म्हणजे, त्यांना असे आढळले की बायोफिल्टरमधून पाणी केवळ दोनदा गाळल्यानंतर देखील रासायनिक ऑक्सिजन मागणी, एकूण सेंद्रिय कार्बन आणि मिसळण्यायोग्य सेंद्रिय कार्बन यांमध्ये लक्षणीय घट झाली होती.

पाण्यातील काही विशिष्ट संयुगे शोधण्यासाठी आणि त्यांचे मापन करण्यासाठी संशोधकांनी GCxGC-TOF-MS (गॅस क्रोमॅटोग्राफी टाइम ऑफ फ्लाइट मास स्पेक्ट्रोमेट्री) हे तंत्र वापरले.

या शोधनिबंधाचे सहलेखक आणि आयआयटी मुंबईचे माजी पीएचडी विद्यार्थी डॉ. प्रशांत सिन्हा याबाबत अधिक माहिती देत म्हणाले, “अपशिष्ट जल १२ वेळा फिल्टरमधून फिरवल्यानंतर रासायनिक ऑक्सिजन मागणी व एकूण सेंद्रिय कार्बन यामध्ये सर्वाधिक म्हणजेच अनुक्रमे ६२% व ५५% (अर्ध्यापेक्षा जास्त) घट झाल्याचे आढळले. १२ वेळा पाणी गाळल्यानंतर पाण्यातील घातक संयुगांपैकी काही संयुगे GCxGC-TOF-MS तंत्राने पाहिल्यावर पाण्यात आढळली नाहीत, याचाच अर्थ ती संयुगे १००% नष्ट झालेली होती.”

प्रक्रियाकृत पाण्यामध्ये गाळण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान नायट्रोजनच्या इतर स्वरूपांमधून रूपांतरित होऊन जीवाणूंच्या द्वारे निर्माण झालेले नायट्रेट साठलेले आढळले.

“नायट्रेटचा साठा होणे इष्ट नाही. परंतु तेल शुद्धीकरण करखान्यांमध्ये अपशिष्ट जलशुद्धीकरणाचा शेवटचा टप्पा म्हणून रिव्हर्स ऑस्मॉसिस (आरओ) प्रक्रिया केली जाते. या प्रक्रियेमुळे अंतिम निस्सारित पाण्यामधील नायट्रेटचे प्रमाण कमी होऊ शकते,” प्रा. मुखर्जी यांनी सांगितले.

बायोफिल्ट्रेशनमुळे मिसळण्यायोग्य सेंद्रिय कार्बन कमी होऊन आरओच्या मेंब्रेनवर नको असलेल्या पदार्थांचे थर जमा होणे किंवा साठणे देखील कमी करता येऊ शकते.   

या अभ्यासामध्ये बायोफिल्टरमधील जीवाणू वसाहतीवर देखील संशोधन केले गेले. त्यामध्ये, त्यातील प्रमुख जीवाणू प्रोटीओबॅक्टिरिया समूहातील असल्याचे आढळले. या जीवाणू समूहाचे वैशिष्ट्य म्हणजे यातील जीवाणू, सजीवांसाठी घातक असलेल्या पॉलीन्यूक्लियर अरोमॅटिक हायड्रोकार्बन्स (पीएएच) सारख्या संमिश्र सेंद्रिय संयुगांचे विघटन करू शकतात. प्रोटीओबॅक्टिरिया समूहामध्ये स्फिंगोमोनाडेल्स, बर्कहोल्डेरियल्स, रोडोबॅक्टेरेल्स आणि रोडोस्पायरिलेल्स यांसारख्या उपयुक्त जीवाणूंचा समावेश असून, हे जीवाणू घातक प्रदूषक नष्ट करण्यासाठी विख्यात आहेत.   

वाळूच्या सहाय्याने बायोफिल्ट्रेशन करण्याची पद्धत सोपी आहे आणि त्यामुळे वैशिष्ट्यपूर्ण ठरते. जगभरात कोणत्याही ठिकाणच्या कारखान्यांना वाळू सहजरीत्या उपलब्ध होऊ शकते. या पद्धतीमुळे शुद्धीकरण कारखान्यांचा पर्यावरणावरणीय फूटप्रिंट (प्रदूषणातील वाटा) लक्षणीयरित्या कमी होऊ शकतो. शुद्ध क्वार्ट्झ वाळू सहजपणे उपलब्ध असल्यामुळे, अशा प्रकारचा बायोफिल्टर मोठ्या प्रमाणात तयार करण्याचा व त्याची देखभाल करण्याचा खर्च देखील कमी असतो.

या अभ्यासाची भविष्यातील वाटचाल स्पष्ट करताना प्रा. मुखर्जी म्हणाल्या, “क्वार्ट्झ वाळूप्रमाणे इतर माध्यमांचा वापर करून ही प्रक्रिया इतर प्रकारच्या अपशिष्ट जलावर करून पाहण्याची आमची इच्छा आहे.”