जल-गुणता व उपचार: प्राचल, माँग, निक्षेपण तथा उपचार-श्रृंखला

पर्यावरण अभियांत्रिकी सिविल अभियांत्रिकी पेपर का खंड 5 है, और जल उपचार उस पेपर की वह एकमात्र अभिकल्प-समस्या है जहाँ विशिष्टि कोई भार नहीं, बल्कि एक जन-स्वास्थ्य मानक है, और सम्पूर्ण विषय इसी उलटाव से निकलता है। संरचना अभियंता को भार दिया जाता है और काट पूछी जाती है; यहाँ आपको अपेक्षित परिणाम दिया जाता है — इतने जीव, इतनी मलिनता, प्रत्येक घुलित स्पीशीज़ इतनी कम — और पूछा जाता है कि जो भी स्रोत हो उससे वहाँ तक कौन-सा प्रक्रम-क्रम पहुँचता है। वही क्रम उपचार-श्रृंखला है, और वह मनमाना नहीं: प्रत्येक इकाई इसलिए है कि उससे पूर्व वाली वह काम नहीं कर सकती। छनन तैरने वाला व बड़ा पदार्थ हटाता है। स्कंदन केवल एक कारण से है, जिसे एक ही संख्या स्पष्ट कर देती है — एक माइक्रोन का मृत्तिका कोलॉइड गुरुत्व के अधीन तीन मीटर गिरने में उनतालीस दिन लेता है, अतः वह किसी भी ऐसी टंकी में नहीं बैठेगा जिसे नगर बनवा सके, और उसे हटाने का एकमात्र उपाय उसे बड़ा कर देना है। तत्पश्चात् निक्षेपण वह हटाता है जिसे स्कंदन ने निक्षेपणीय बनाया, और उसका अभिकल्प-नियम इस अध्याय का प्रति-सहज नियम है: निक्षेपण टंकी अपने पृष्ठ-क्षेत्रफल से नापी जाती है, आयतन से नहीं, क्योंकि क्रांतिक निक्षेपण वेग पृष्ठ अतिप्रवाह दर Q/A के बराबर होता है और गहराई कट जाती है। निस्यंदन वह चमकाता है जो निक्षेपण छोड़ जाए। विसंक्रमण वह मारता है जो निस्यंदन से निकल जाए। इस क्रम में पढ़ने पर श्रृंखला विफलताओं को ढकने की एक कड़ी है — यही ईमानदार दृष्टि है और यही वह दृष्टि है जिससे आंकिक प्रश्न बनते हैं।

गुणता प्राचल, और वे तीन जो वस्तुतः परीक्षण हैं

पाठ्यक्रम भौतिक, रासायनिक व जैविक प्राचल तथा जल-गुणता सूचकांक माँगता है। भौतिक — मलिनता, वर्ण, स्वाद, गंध, तापमान — वे हैं जिन्हें उपभोक्ता अनुभव करता है, और उनके मानक विषाक्तता से नहीं, स्वीकार्यता से तय होते हैं। रासायनिक पुनः विभाजित होते हैं: कुछ स्वास्थ्य-आधारित सीमाएँ हैं (आर्सेनिक, फ्लोराइड, नाइट्रेट, सीसा) और कुछ प्रचालनात्मक (pH, क्षारकता, कठोरता, क्लोराइड, लोहा)। जैविक सूचक-आधारित हैं, और यही शब्द पूरा विचार है — पेयजल की जाँच प्रत्येक रोगाणु के लिए कोई नहीं करता, क्योंकि हर एक के लिए अलग परीक्षण चाहिए। इसके स्थान पर कॉलिफ़ॉर्म गिने जाते हैं, क्योंकि जहाँ भी मल-संदूषण हो वे प्रचुर हैं, संवर्धन में सरल हैं, और स्वयं हानिरहित हैं। कॉलिफ़ॉर्म गणना संकट की माप नहीं; वह उस मार्ग की माप है जिससे संकट आता है।

वे प्राचल जो परीक्षा में अंकगणित ले जाते हैं
प्राचलक्या मापता हैवह संबंध जो प्रयोग करना आना चाहिए
BODकार्बनिक अपघटन में सूक्ष्मजीवों द्वारा खपाई जाने वाली ऑक्सीजनBOD_t = L₀(1 − e^(−kt)), तथा k_T = k₂₀ · 1.047^(T−20)
CODप्रबल ऑक्सीकारक द्वारा खपाई ऑक्सीजन — जैव-अपघटनीय हो या न होसदैव BOD ≥ से अधिक या बराबर। अनुपात BOD/COD जैव-अपघटनीयता है, सामर्थ्य नहीं
कठोरताद्विसंयोजी धनायन, मुख्यतः Ca²⁺ व Mg²⁺CaCO₃ के रूप में: mg/L × 50 / (तुल्यांकी भार)
DOवस्तुतः घुली ऑक्सीजन, संतृप्ति मान के सापेक्षन्यूनता D = DO_sat − DO; तापमान बढ़ने पर संतृप्ति घटती है
⚠️ पाँच-दिवसीय परीक्षण कभी पूरी माँग नहीं देखता
BOD₅, BOD नहीं है। मानक k = 0.23/दिन पर 1 − e^(−0.23 × 5) = 0.6834, अतः पाँच-दिवसीय परीक्षण चरम माँग का लगभग 68% मापता है और उस तक कभी नहीं पहुँचता — चरघातांकी का कोई अंतिम दिन नहीं होता। 300 mg/L की चरम BOD, BOD₅ = 205 mg/L के रूप में दिखती है, और जो प्रश्न आपको एक देकर दूसरा पूछे वह यही जाँच रहा है। इसी संबंध पर दो और जाल सवार हैं। पहला, k भिन्न पुस्तकों में दो भिन्न आधारों पर उद्धृत होता है: k आधार e तथा K आधार 10, जहाँ k = 2.303K, अतः 0.1 का मान यदि आधार 10 पर हो तो 0.23 है। दूसरा, तापमान k बढ़ाता है पर संतृप्ति DO घटाता है — माँग ठीक तब बढ़ती है जब आपूर्ति घटती है, यही कारण है कि अभिकल्प-स्थिति ग्रीष्म का निस्सरण है, शीत का नहीं।

जल-आवश्यकता, पूर्वानुमान, तथा वितरण तंत्र

माँग = जनसंख्या × दर, और दोनों ही आकलन हैं। दर प्रति-व्यक्ति माँग है, CPHEEO मैनुअल के अंतर्गत पूर्णतः मल-वाहित भारतीय नगर के लिए परंपरागत रूप से लगभग 135 लीटर प्रति व्यक्ति प्रति दिन, साथ में संस्थागत, वाणिज्यिक, औद्योगिक व अग्नि-माँग तथा हानियों का प्रावधान। जनसंख्या कठिन आधा है, क्योंकि उसका पूर्वानुमान अभिकल्प-अवधि तक करना होता है — ऐसे शीर्ष-कार्य के लिए 30 वर्ष जिसे बढ़ाया न जा सके, ऐसे पंप के लिए कहीं कम जिसे बढ़ाया जा सके। और पूर्वानुमान एक विधि नहीं, विधियों का कुल है, और यही ईमानदार कठिनाई है: वही दो जनगणनाएँ इस पर निर्भर करते हुए भिन्न उत्तर देती हैं कि आप कौन-सा वक्र बैठाते हैं।

  • अंकगणितीय वृद्धि — प्रति दशक स्थिर संख्या जुड़ती है। बड़े, पुराने, संतृप्त नगर पर बैठती है। 50,000 (2010) से 80,000 (2020) पर 2030 हेतु 110,000 देती है।
  • गुणोत्तर वृद्धि — प्रति दशक स्थिर प्रतिशत। युवा, बढ़ते नगर पर बैठती है। वही दो आँकड़े r = 0.60 देते हैं और 128,000 का पूर्वानुमान — 18,000 अधिक लोग, वही आँकड़ों से 16.4% अंतर।
  • वृद्धिशील वृद्धि — अंकगणितीय साथ में वृद्धियों की वृद्धियों का औसत; एक समझौता, और अधिकांश पाठ्यक्रमों की मानक विधि।
  • लॉजिस्टिक — संतृप्ति जनसंख्या सहित S-वक्र। एकमात्र जो सदा बढ़ने से इनकार करती है, अतः परिबद्ध नगर के विषय में एकमात्र ईमानदार।

तत्पश्चात् वितरण तंत्र उस माँग को ले जाता है, और उसके विन्यास सर्वत्र वही दो वस्तुएँ अदल-बदल करते हैं: मृत-सिरा (या वृक्ष) तंत्र सस्ते, सरल-अभिकल्प व सरल-पृथक्करण वाले हैं, पर ऊपर की ओर एक टूट नीचे के सबको काट देती है और दूर के सिरे ठहर जाते हैं; ग्रिड (या वलय) तंत्र अधिक महँगे हैं और उन्हें संजाल-विश्लेषण चाहिए — हार्डी क्रॉस, जो जल संसाधन अध्याय की नलिका-संजाल विधि है — पर जल किसी भी बिंदु तक एक से अधिक पथ से पहुँचता है, अतः टूट किसी उपनगर के बजाय एक खंड को पृथक करती है, और कुछ ठहरता नहीं। भंडारण आपूर्ति व माँग के बीच उसी कारण बैठता है जिस कारण बैटरी जनित्र व भार के बीच: स्रोत औसत दर पर चलता है और नगर शिखर दर पर खींचता है, अतः सेवा जलाशय अंतर सोख लेता है और उपचार संयंत्र को औसत के लिए नापने देता है।

निक्षेपण, और वह गहराई जो कट जाती है

शांत जल में गिरता कोई विविक्त कण तब सीमांत वेग पाता है जब कर्षण उत्प्लावी भार को संतुलित कर दे। स्तरीय परिसर में वही स्टोक्स नियम है, v_s = g(G − 1)d²/18ν, और उसमें का d² इस अध्याय का सर्वाधिक परिणामकारी घातांक है — कण-आकार आधा करने पर निक्षेपण वेग एक-चौथाई। तीन वास्तविक आकार इससे निकालिए और उपचार-श्रृंखला स्वयं स्पष्ट हो जाती है।

श्रृंखला में वही इकाइयाँ क्यों हैं (G = 2.65, ν = 1.01 × 10⁻⁶ m²/s)
कणनिक्षेपण वेग3 m गिरने का समयअतः वह हटता है
0.05 mm महीन बालू2.226 mm/s = 192.3 m/दिन22.4 मिनटसर्वप्रथम, कंकड़-कक्ष द्वारा
0.01 mm गाद7.69 m/दिन9.4 घंटेसामान्य निक्षेपण, यदि धैर्य हो
1 μm मृत्तिका कोलॉइड0.0769 m/दिन39 दिनगुरुत्वीय कुछ नहीं। उसे पहले स्कंदित करना होगा
🎯 अतिप्रवाह दर भिन्न इकाइयों में पहना हुआ वेग है
किसी आदर्श आयताकार टंकी का अभिकल्प कीजिए और बीजगणित कुछ आश्चर्यजनक करता है। कण ऊपर से प्रवेश करता है और उसे प्रवाह द्वारा बाहर ले जाए जाने से पूर्व तल तक पहुँचना है: उसके पास गहराई H गिरने हेतु प्रतिधारण काल t = V/Q = LWH/Q है, अतः वह पूर्णतः हटता है यदि v_s ≥ H/t = HQ/(LWH) = Q/(LW) = Q/A। गहराई H कट जाती है। क्रांतिक निक्षेपण वेग पृष्ठ अतिप्रवाह दर Q/A के बराबर है, और अतः टंकी केवल अपने तल-क्षेत्रफल से नापी जाती है — उसी पदचिह्न की गहरी टंकी ठीक वही कण हटाती है, बस उन्हें मार्ग में अधिक देर रखती है। Q = 4000 m³/दिन पर 40 m³/m²/दिन की अतिप्रवाह दर से A = 100 m², और क्रांतिक वेग 40 m/दिन = 0.463 mm/s। उससे धीमे बैठने वाला कण पूर्णतः खोया नहीं जाता: वह v_s/v_c अनुपात में हटता है, अतः 20 m/दिन का कण 50% हटता है। यही कारण है कि वास्तविक संयंत्र प्लेट या ट्यूब जोड़ते हैं — वे आयतन बढ़ाए बिना क्षेत्रफल गुणा करते हैं, और वही एकमात्र चर है जो मायने रखता है।

स्कंदन, निस्यंदन व विसंक्रमण

मृत्तिका कोलॉइड इसलिए नहीं बैठता कि वह छोटा है और इसलिए भी कि वह आवेशित है — कण समान आवेश धारण करते हैं, परस्पर प्रतिकर्षित होते हैं, अतः कभी किसी भारी वस्तु में समुच्चयित नहीं होते। स्कंदन आवेश पर प्रहार करता है: कोई त्रिसंयोजी लवण, प्रायः फिटकरी Al₂(SO₄)₃·18H₂O, जल-अपघटित होकर द्वि-स्तर संपीडित करता है, और तीव्र मिश्रण उसे सेकंडों में वितरित करता है क्योंकि अभिक्रिया मिश्रक से तेज़ है। तत्पश्चात् ऊर्णन तीव्र मिश्रण का उल्टा है — मंद, कोमल, दीर्घ विलोड़न जो अस्थिरीकृत कणों को टकराने व बढ़ने देता है बिना अपरूपण उन्हें पुनः तोड़े। यह संयंत्र की वह एकमात्र इकाई-प्रक्रिया है जहाँ अधिक ज़ोर से विलोड़न परिणाम बिगाड़ता है, यही कारण है कि उसका वेग-प्रवणता G निम्न सीमा के बजाय उच्च सीमा से विनिर्दिष्ट होता है। फिटकरी क्षारकता भी खाती है, अतः मृदु, न्यून-क्षारकता जल को साथ में चूना चाहिए अन्यथा pH प्रभावी परिसर से बाहर गिर जाता है और मात्रा काम करना बंद कर देती है।

द्रुत बनाम मंद बालू निस्यंदन — भूमि में 25 गुना
द्रुत बालूमंद बालू
निस्यंदन दर~5 m³/m²/घं~0.2 m³/m²/घं
4000 m³/दिन हेतु क्षेत्रफल33.3 m²833.3 m²
पूर्व-उपचार चाहिए?हाँ — पहले स्कंदन व निक्षेपणनहीं — न्यून मलिनता का कच्चा जल ले सकता है
सफाई कैसेप्रति-प्रक्षालन, मिनटों मेंश्मुत्सडेके खुरचना, घंटों में
जीवाणु कैसे हटाता है?यांत्रिक रूप से — विसंक्रमण फिर भी अनिवार्यजैविक रूप से, पृष्ठ-चटाई में — वस्तुतः उच्च निष्कासन

विसंक्रमण श्रृंखला बंद करता है, और क्लोरीन उस पर एक ऐसे कारण से हावी है जिसे नाम देना उचित है: वह एकमात्र सामान्य विसंक्रामक है जो अवशेष छोड़ता है। ओज़ोन व पराबैंगनी दोनों संपर्क-टंकी में अधिक प्रभावी ढंग से मारते हैं और दोनों में से कोई भी बाद में नलिका के जल की रक्षा नहीं करता, अतः दीर्घ निवास-काल तथा प्रवेश की किंचित संभावना वाला वितरण तंत्र और जो भी हो, क्लोरीनित किया जाता है। मात्रा दो में बँटती है — क्लोरीन माँग, जो अमोनिया, कार्बनिक व अपचयित स्पीशीज़ खा जाती है, तथा उससे बचा अवशेष: 3 mg/L मात्रा जो 0.5 mg/L छोड़े उसका अर्थ 2.5 mg/L माँग, और 4000 m³/दिन पर 3 mg/L अर्थात् प्रतिदिन 12 kg क्लोरीन। अमोनिया मिलाइए और वक्र विभंग-बिंदु वक्र बन जाता है, जिसका अवरोही भाग परीक्षार्थी गलत पढ़ते हैं: कूबड़ के बाद अधिक क्लोरीन कम अवशेष देती है, क्योंकि वह पूर्व में बने क्लोरएमीन नष्ट कर रही है। विभंग-बिंदु के आगे ही अवशेष मुक्त क्लोरीन है, और केवल मुक्त क्लोरीन शीघ्र विसंक्रमित करती है।

कठोरता, और सब कुछ CaCO₃ में व्यक्त करने का अंकगणित

कठोरता द्विसंयोजी धनायनों का योग है, मुख्यतः कैल्शियम व मैग्नीशियम, और उसे CaCO₃ के रूप में एक विशुद्ध व्यावहारिक कारण से बताया जाता है: स्पीशीज़ रासायनिक रूप से भिन्न हैं पर प्रभाव में परस्पर-प्रतिस्थापनीय, अतः उन्हें एक सामान्य मुद्रा में बदलने से उन्हें जोड़ा जा सकता है। रूपांतरण है mg/L CaCO₃ के रूप में = (आयन का mg/L) × 50 / (आयन का तुल्यांकी भार), जहाँ 50 स्वयं CaCO₃ का तुल्यांकी भार है। 40 mg/L पर कैल्शियम बनता है 40 × 50/20.04 = 99.80; 24.3 mg/L पर मैग्नीशियम बनता है ठीक 24.3 × 50/12.15 = 100.00। उनका योग, 199.8 mg/L CaCO₃ के रूप में, अत्यंत कठोर जल है — और ध्यान दीजिए कि मैग्नीशियम ने 40% कम भार होते हुए भी कैल्शियम जितना ही योगदान दिया, क्योंकि उसका तुल्यांकी भार छोटा है। संपूर्ण परिपाटी का कारण यही है।

🧠 कार्बोनेट कठोरता दो संख्याओं में छोटी है
कठोरता कार्बोनेट (अस्थायी, उबालने या चूने से हटने योग्य) तथा अकार्बोनेट (स्थायी, जिसे सोडा ऐश या आयन-विनिमय चाहिए) में बँटती है, और यह विभाजन क्षारकता तय करती है, कठोरता नहीं। नियम एक पंक्ति का है और याद रखने योग्य: कार्बोनेट कठोरता = न्यूनतम(कुल कठोरता, कुल क्षारकता), और शेष जो बचे वह अकार्बोनेट कठोरता। अतः 200 mg/L कठोरता व 150 mg/L क्षारकता वाले जल में 150 कार्बोनेट व 50 अकार्बोनेट; 200 कठोरता व 250 क्षारकता वाले जल में 200 कार्बोनेट, 0 अकार्बोनेट, तथा 50 mg/L ऐसी क्षारकता जो कठोरता से जुड़ी ही नहीं। परीक्षार्थी यह अंक गलत दिशा में घटाकर व ऋणात्मक अकार्बोनेट कठोरता बताकर खोते हैं, जो हो ही नहीं सकती।

मुख्य बिंदु

  • k = 0.23/दिन पर BOD₅ चरम BOD का लगभग 68% है, पूरी कभी नहीं: L₀ = 300 दिखता है BOD₅ = 205 के रूप में।
  • निक्षेपण टंकी पृष्ठ अतिप्रवाह दर Q/A से नापी जाती है; गहराई निष्कासन-गणना से पूर्णतः कट जाती है।
  • क्रांतिक वेग से धीमा कण v_s/v_c अनुपात में हटता है — पूर्णतः खोया नहीं जाता।
  • स्कंदन इसलिए है कि 1 μm कोलॉइड को 3 m गिरने में 39 दिन लगते हैं। कोई गुरुत्वीय उपाय उसे नहीं हटा सकता।
  • CaCO₃ के रूप में कठोरता = आयन mg/L × 50 / तुल्यांकी भार; कार्बोनेट कठोरता = न्यूनतम(कठोरता, क्षारकता)।
  • क्लोरीन इसलिए प्रयुक्त होती है कि वह अवशेष छोड़ती है; विभंग-कूबड़ के बाद अधिक क्लोरीन कम अवशेष देती है।

अभ्यास प्रश्न (8)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. किसी अपशिष्ट जल की चरम BOD 300 mg/L है। प्रथम-कोटि दर स्थिरांक k = 0.23 प्रति दिन (आधार e) लेते हुए, उसकी 5-दिवसीय BOD mg/L में ______ है (निकटतम पूर्णांक तक)

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 205

    205 mg/L। BOD₅ = L₀(1 − e^(−kt)) = 300 × (1 − e^(−0.23 × 5)) = 300 × (1 − e^(−1.15)) = 300 × (1 − 0.31664) = 300 × 0.68336 = 205.01 mg/L। इससे ले जाने योग्य संख्या 205 नहीं, 0.683 है: मानक दर-स्थिरांक पर पाँच-दिवसीय परीक्षण माँग का कुछ अधिक दो-तिहाई देखता है, और L₀ जो भी हो वही भिन्न रहती है, क्योंकि चरघातांकी को यह पता ही नहीं कि कितना कार्बनिक पदार्थ उपस्थित है। यही कारण है कि BOD₅ व BOD भिन्न राशियाँ हैं और प्रश्न को दोनों में से कोई भी देने का अधिकार है। अंक खोने के दो तरीके। यदि कोई पेपर K = 0.1 प्रति दिन उद्धृत करे तो लगभग निश्चित ही आधार 10 है, और k = 2.303 × 0.1 = 0.23 — आधार-e सूत्र में 0.1 लगाने पर 118 mg/L आता है, जो 40% गलत है। और यदि परीक्षण तापमान 20 °C न हो तो पहले दर सुधारिए k_T = k₂₀ × 1.047^(T−20) से: 27 °C पर वह 0.23 × 1.047⁷ = 0.317/दिन है, और उसी प्रतिदर्श पर BOD₅ बढ़कर 238 mg/L हो जाती है।

  2. किसी आदर्श आयताकार निक्षेपण टंकी को दोगुना गहरा बनाया जाता है, तल-क्षेत्रफल व प्रवाह दर अपरिवर्तित रखते हुए। पूर्णतः हटने वाले सबसे छोटे कण के आकार का क्या होता है?

    1. अपरिवर्तित रहता है — गहराई निष्कासन-कसौटी में आती ही नहीं
    2. आधा हो जाता है, क्योंकि प्रतिधारण काल दोगुना हो गया
    3. वह √2 गुना घटता है, क्योंकि निक्षेपण वेग d² की भाँति चलता है
    4. दोगुना हो जाता है, क्योंकि अब कण को अधिक दूर गिरना है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — अपरिवर्तित रहता है — गहराई निष्कासन-कसौटी में आती ही नहीं

    अपरिवर्तित। यही वह परिणाम है जो निक्षेपण-अभिकल्प को कार्यशील बनाता है, और वह ठीक इसलिए टिकता है कि दो प्रभाव कट जाते हैं। गहराई दोगुनी करने से प्रतिधारण काल दोगुना होता है — कण को बैठने हेतु दुगुना समय — पर वह दूरी भी दोगुनी हो जाती है जो उसे गिरनी है। लिखकर देखिए: कण हटता है यदि v_s ≥ H/t, और t = LWH/Q, अतः H/t = HQ/(LWH) = Q/(LW) = Q/A। H कट जाता है। कसौटी है v_s ≥ Q/A, अर्थात् पृष्ठ अतिप्रवाह दर, और उसमें गहराई है ही नहीं। दो परिणाम निकलते हैं और दोनों परीक्षणीय हैं। पहला, निक्षेपण टंकी तल-क्षेत्रफल का उपकरण है, अतः उसे सुधारने का उपाय ऐसी प्लेट या ट्यूब जोड़ना है जो उसी आयतन में प्रभावी क्षेत्रफल गुणा कर दें — ट्यूब सेटलर कोई चतुर पदार्थ नहीं, यही बीजगणित यंत्र-रूप में है। दूसरा, गहराई पूर्णतः भिन्न कारणों से चुनी जाती है — आपंक भंडारण, अपघर्षण वेग, आपंक-चादर के पुनः उठ जाने का जोखिम — और मानक 3 से 4 m का पकड़े जाने वाले कणों से कोई संबंध नहीं। विकल्प (ब) जाल है: प्रतिधारण काल वास्तविक राशि है, बस कसौटी नहीं है। विकल्प (स) प्रश्न उलट देता है, स्टोक्स को ऐसे परिवर्तन पर लगाकर जिसे स्टोक्स देखता ही नहीं।

  3. कोई निक्षेपण टंकी 4000 m³/दिन का उपचार 40 m³/m²/दिन की पृष्ठ अतिप्रवाह दर पर करती है। 20 m/दिन निक्षेपण वेग वाला कण प्रवेश पर गहराई भर एकसमान रूप से आता है। इन कणों का हटने वाला प्रतिशत ______ है

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 50

    50%। क्रांतिक निक्षेपण वेग स्वयं अतिप्रवाह दर है, v_c = Q/A = 40 m/दिन, अतः 20 m/दिन का कण क्रांतिक से धीमा है और पूर्णतः नहीं हटता — पर वह पूर्णतः खोया भी नहीं जाता, और प्रश्न का मर्म यही है। प्रतिधारण काल में वह एक निश्चित दूरी गिरता है; टंकी में पर्याप्त नीचे से आरंभ करने वाला कण उस दूरी में तल तक पहुँच जाता है, और ऊपर से आरंभ करने वाला नहीं। चूँकि कण गहराई भर एकसमान आते हैं, हटने वाला अंश वही अंश है जितनी गहराई कोई कण तय कर सके: v_s/v_c = 20/40 = 0.50, अतः 50%। सामान्य नियम है निष्कासन = v_s/v_c जब v_s < v_c, तथा 100% जब v_s ≥ v_c। ध्यान दीजिए क्या नहीं चाहिए: अनुपात मिल जाने पर प्रवाह, क्षेत्रफल व गहराई सब गिर जाते हैं — 4000 m³/दिन इसलिए है कि आप A = 100 m² जाँच सकें, इसलिए नहीं कि उत्तर उस पर निर्भर है। जो अभिधारणा मायने रखती है वह एकसमान प्रवेश-वितरण है; यदि टंकी केवल पृष्ठ से भरी जाती तो इनमें से एक भी कण न हटता।

  4. किसी जल-प्रतिदर्श में 40 mg/L Ca²⁺ (परमाणु भार 40.08) तथा 24.3 mg/L Mg²⁺ (परमाणु भार 24.31) है। CaCO₃ के रूप में उसकी कुल कठोरता mg/L में ______ है (एक दशमलव तक)

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 199.8

    199.8 mg/L CaCO₃ के रूप में। दोनों आयन द्विसंयोजी हैं, अतः उनके तुल्यांकी भार परमाणु भार के आधे हैं: Ca 20.04, Mg 12.155। CaCO₃ का अणुभार 100 है और वह भी द्विसंयोजी है, अतः उसका तुल्यांकी भार 50। प्रत्येक आयन को mg/L × 50 / (तुल्यांकी भार) से बदलिए: कैल्शियम देता है 40 × 50/20.04 = 99.80, मैग्नीशियम देता है 24.3 × 50/12.155 = 99.96 ≈ 100.00। जोड़ने पर 199.8 mg/L CaCO₃ के रूप में — किसी भी प्रकाशित मापनी पर अत्यंत कठोर जल। शिक्षाप्रद अंश तुलना है: मैग्नीशियम कैल्शियम से 40% कम द्रव्यमान में उपस्थित था और उसने उतनी ही कठोरता दी, क्योंकि उसका तुल्यांकी भार छोटा है और कठोरता भार का नहीं, आवेश का विषय है। परिपाटी ठीक इसीलिए है — सामान्य मुद्रा के बिना दोनों संख्याएँ जोड़ी ही नहीं जा सकतीं, और कच्ची सांद्रताएँ जोड़कर "64.3 mg/L कठोरता" बताना निरर्थक है। प्रश्न प्रायः आगे विभाजन पूछता है: कार्बोनेट कठोरता न्यूनतम(कुल कठोरता, कुल क्षारकता) है, अतः यदि इस जल की क्षारकता 150 mg/L CaCO₃ होती तो उसमें 150 कार्बोनेट व 49.8 अकार्बोनेट होती।

  5. पेयजल उपचार-श्रृंखला के विषय में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. स्कंदन इसलिए आवश्यक है कि कोलॉइडी कण किसी भी व्यवहार्य टंकी में नहीं बैठेंगे
    2. ऊर्णन को कोमल मिश्रण चाहिए, क्योंकि प्रचंड विलोड़न उसी ऊर्ण को तोड़ देता है जिसे बनाना है
    3. क्लोरीन ओज़ोन पर मुख्यतः इसलिए वरीय है कि वह वितरण तंत्र में अवशेष छोड़ती है
    4. द्रुत बालू निस्यंदक जीवाणु इतनी विश्वसनीयता से हटाता है कि विसंक्रमण छोड़ा जा सकता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — स्कंदन इसलिए आवश्यक है कि कोलॉइडी कण किसी भी व्यवहार्य टंकी में नहीं बैठेंगे; B — ऊर्णन को कोमल मिश्रण चाहिए, क्योंकि प्रचंड विलोड़न उसी ऊर्ण को तोड़ देता है जिसे बनाना है; C — क्लोरीन ओज़ोन पर मुख्यतः इसलिए वरीय है कि वह वितरण तंत्र में अवशेष छोड़ती है

    (अ), (ब) व (स)। क्रम से लीजिए। (अ) सही है और वही सम्पूर्ण स्कंदन-चरण का आंकिक औचित्य है: स्टोक्स 1 μm मृत्तिका कोलॉइड को 0.077 m/दिन निक्षेपण वेग देता है, अतः तीन मीटर गिरने में उसे 39 दिन चाहिए। कोई नगर 39-दिवसीय प्रतिधारण काल की टंकी नहीं बनाता, अतः कण बैठाया नहीं जा सकता — उसे पहले बड़ा करना होगा, और स्कंदन व ऊर्णन यही करते हैं। (ब) सही है और वही संयंत्र की एकमात्र इकाई-प्रक्रिया है जहाँ अधिक परिश्रम परिणाम बिगाड़ता है: तीव्र मिश्रण स्कंदक को सेकंडों में वितरित करता है, पर तत्पश्चात् ऊर्णन को 20 से 40 मिनट तक निम्न वेग-प्रवणता चाहिए, क्योंकि जो अपरूपण कणों को टकराने में सहायता देता है वही बने ऊर्ण को तोड़ भी देगा। यही कारण है कि ऊर्णन का G उच्च सीमा से विनिर्दिष्ट होता है। (स) सही है और वही ईमानदार कारण है कि क्लोरीन बेहतर विसंक्रामकों के सामने टिकी है: ओज़ोन व UV दोनों संपर्क-टंकी में जीवों को अधिक प्रभावी ढंग से निष्क्रिय करते हैं, और दोनों में कोई भी बाद में जल की रक्षा नहीं करता। घंटों के निवास-काल तथा प्रवेश की किंचित संभावना वाले नलिका-संजाल को अवशेष चाहिए, और क्लोरीन वही सामान्य विसंक्रामक है जो अवशेष छोड़ती है। (द) गलत है, और वही संकटपूर्ण है। द्रुत बालू निस्यंदक जीवाणु केवल यांत्रिक व अपूर्ण रूप से हटाता है; मंद बालू निस्यंदक के विपरीत उसमें काम करने वाली कोई जैविक परत नहीं। द्रुत निस्यंदन के पश्चात् विसंक्रमण कोई चमकाना नहीं — वही अवरोध है।

  6. किसी नगर की जनसंख्या 2010 में 50,000 तथा 2020 में 80,000 थी। गुणोत्तर वृद्धि विधि से 2030 का पूर्वानुमानित जनसंख्या ______ है

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 128000

    128,000। गुणोत्तर विधि प्रति दशक स्थिर प्रतिशत वृद्धि मानती है। 50,000 से 80,000 पर अनुपात 80/50 = 1.60 है, अतः r = 0.60 प्रति दशक, और अगला दशक पुनः गुणा करता है: 80,000 × 1.60 = 128,000। उन्हीं दो आँकड़ों पर अंकगणितीय विधि से तुलना कीजिए: वहाँ वृद्धि स्थिर 30,000 प्रति दशक है, जो 80,000 + 30,000 = 110,000 देती है। दोनों उत्तर समान आँकड़ों से 18,000 लोग, 16.4% भिन्न हैं — और यही अंतर वह कारण है कि विधि का चयन औपचारिकता न होकर परीक्षा का विषय है। अंगूठा-नियम नगर की अवस्था का है: गुणोत्तर युवा, तीव्र-वर्धी बस्ती पर बैठती है और परिपक्व नगर का अधिक-आकलन करेगी, क्योंकि कुछ भी सदा चक्रवृद्धि नहीं होता; अंकगणितीय बड़े, संतृप्त नगर पर बैठती है और उफनते नगर का न्यून-आकलन करेगी। जहाँ प्रश्न न बताए कि कौन-सी लगानी है, वहाँ वृद्धिशील वृद्धि विधि सामान्य मानक है, क्योंकि वह रचना से ही दोनों के बीच बैठती है। और यहाँ अभिकल्प-अवधि उस रूप में मायने रखती है जिसे परीक्षार्थी छोड़ देते हैं: अधिक-पूर्वानुमान ऐसी क्षमता बनाता है जो निष्क्रिय पड़ी रहती है और जिसका मूल्य आज के उपभोक्ता चुकाते हैं, जबकि न्यून-पूर्वानुमान ऐसा शीर्ष-कार्य बनाता है जिसे बढ़ाया नहीं जा सकता।

  7. विभंग-बिंदु क्लोरीनन वक्र पर किसी परिसर में लगाई गई क्लोरीन मात्रा बढ़ाने पर संयुक्त अवशेष घटता है। इसका कारण है कि

    1. मिलाई गई क्लोरीन पूर्व-निर्मित क्लोरएमीन का ऑक्सीकरण कर उन्हें नष्ट करती है
    2. विलेयता सीमा पार होते ही क्लोरीन गैस बनकर निकल जाती है
    3. मात्रा के साथ pH बढ़ता है और साम्य अवशेष क्लोरीन से हटकर खिसक जाता है
    4. उच्च मात्रा पर मापन विधि कम पढ़ती है और गिरावट एक कृत्रिम प्रभाव है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — मिलाई गई क्लोरीन पूर्व-निर्मित क्लोरएमीन का ऑक्सीकरण कर उन्हें नष्ट करती है

    मिलाई गई क्लोरीन उन्हीं क्लोरएमीन को नष्ट करती है जो उसने पहले बनाए। विभंग-बिंदु वक्र के तीन परिसर हैं और बीच वाला प्रति-सहज भाग है। न्यून मात्रा पर अमोनिया-युक्त जल में मिलाई क्लोरीन क्लोरएमीन बनाती है — संयुक्त अवशेष — और अवशेष मोटे तौर पर मात्रा के साथ बढ़ता है। शिखर के बाद आगे की क्लोरीन क्लोरएमीन बनाती नहीं, उनका ऑक्सीकरण करती है, अधिकांशतः नाइट्रोजन गैस तक, अतः मापा गया अवशेष और क्लोरीन मिलाने पर भी गिरता है। उस अवरोही भाग का निम्नतम बिंदु ही विभंग-बिंदु है। उसके आगे ही अवशेष पुनः बढ़ने लगता है, और अब वह मुक्त क्लोरीन है — हाइपोक्लोरस अम्ल व हाइपोक्लोराइट — जो तीव्र, प्रभावी विसंक्रामक है। तीन व्यावहारिक परिणाम निकलते हैं और प्रत्येक पूछा जा चुका है। कूबड़ से पहले आरोही भाग तक मात्रा देने पर ऐसा अवशेष मिलता है जो परीक्षण में पर्याप्त दिखता है पर संयुक्त क्लोरीन है, जो कहीं धीमे विसंक्रमित करती है। अवरोही भाग में मात्रा देना क्लोरीन का अपव्यय है और छोटी मात्रा से भी कम अवशेष छोड़ सकता है। और क्लोरीनन से जुड़ी स्वाद-गंध की शिकायतें अधिकांशतः मुक्त क्लोरीन से नहीं, क्लोरएमीन से आती हैं, अतः विभंग-बिंदु के आगे जाना प्रायः स्वाद बिगाड़ने के बजाय सुधारता है। विकल्प (ब) इन सांद्रताओं पर रासायनिक रूप से गलत है, (स) pH-निर्भरता उलटी बताता है, और (द) रसायन से बचने के लिए यंत्र-दोष गढ़ लेता है।

  8. कोई संयंत्र 4000 m³/दिन का उपचार करता है। द्रुत बालू निस्यंदक 5 m³/m²/घं की निस्यंदन दर हेतु अभिकल्पित हैं। अपेक्षित निस्यंदक क्षेत्रफल m² में ______ है (दो दशमलव तक)

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 33.33

    33.33 m²। एकमात्र वास्तविक चरण वही इकाई-रूपांतरण है जिसे परीक्षार्थी छोड़ देते हैं: प्रवाह प्रति दिन है और दर प्रति घंटा। Q = 4000/24 = 166.67 m³/घं, अतः A = 166.67/5 = 33.33 m²। 4000 को सीधे 5 से भाग देने पर 800 m² आता है, जो 24 गुना गलत है, और यही इस अंक को खोने का सर्वाधिक सामान्य तरीका है। संख्या को उसके विकल्प के साथ रखना उचित है। मंद बालू निस्यंदक लगभग 0.2 m³/m²/घं पर चलता है, जो उसी नगर हेतु 166.67/0.2 = 833.3 m² माँगता है — पच्चीस गुना भूमि। वही एक अनुपात बताता है कि लगभग हर नया भारतीय संयंत्र द्रुत-बालू क्यों है: बढ़ते नगर के पास की भूमि उन स्कंदन व निक्षेपण चरणों से महँगी है जो द्रुत निस्यंदन को ऊपर की ओर चाहिए। यद्यपि सौदा दोनों दिशाओं में वास्तविक है। मंद बालू निस्यंदन को न रसायन चाहिए, न स्कंदन, न कुशल मात्रा-नियंत्रण, और उसकी जैविक पृष्ठ-परत वस्तुतः जीवाणु हटाती है, जो द्रुत निस्यंदक नहीं करता — अतः स्वच्छ कच्चे जल व बिना रसायनज्ञ वाली छोटी, दूरस्थ आपूर्ति के लिए वही सही उत्तर है। व्यवहार में संयंत्र गणित से निकले क्षेत्रफल से एक निस्यंदक अधिक भी बनाता है, क्योंकि प्रति-प्रक्षालन एक इकाई को सेवा से बाहर कर देता है और अभिकल्प-प्रवाह तब तक रुकता नहीं।