पर्यावरणीय प्रदूषण और नियंत्रण III: जल प्रदूषण — प्रकार, स्रोत और प्रभाव, जल गुणवत्ता प्राचलों का प्रतिचयन और विश्लेषण, MPN द्वारा सूक्ष्मजीवी विश्लेषण, भारतीय पेयजल मानक IS 10500:2012, पेयजल उपचार, प्राथमिक, द्वितीयक और उन्नत अपशिष्ट जल उपचार, और सामान्य बहिःस्राव उपचार संयंत्र

जल प्रदूषकों को सुविधा से ऑक्सीजन-माँगी कार्बनिक अपशिष्ट (मल-जल, खाद्य-प्रसंस्करण और काग़ज़-मिल बहिःस्राव), रोगजनक, पादप पोषक (नाइट्रोजन और फ़ॉस्फ़ोरस, जो सुपोषण करते हैं), विषैले अकार्बनिक रसायन (भारी धातुएँ, फ़्लोराइड, आर्सेनिक, सायनाइड), विषैले कार्बनिक रसायन (कीटनाशक, विलायक, तेल, औषधियाँ और औद्योगिक कार्बनिक पदार्थ), निलंबित अवसाद, ऊष्मा और रेडियोधर्मी पदार्थों में समूहित किया जाता है। बिंदु स्रोत किसी पहचाने जा सकने वाले निकास, जैसे सीवर या औद्योगिक नाली, से निस्सरण करते हैं और पाइप के अंत पर उपचारित किए जा सकते हैं; अबिंदु स्रोत, जैसे उर्वरक और कीटनाशक ले जाता कृषि अपवाह, नगरीय वर्षा अपवाह और वायुमंडलीय निक्षेपण, विसरित हैं और केवल भूमि उपयोग तथा पद्धति बदलकर नियंत्रित किए जा सकते हैं। भारत में अनुपचारित घरेलू मल-जल आयतन से नदियों के प्रदूषण का सबसे बड़ा स्रोत है, क्योंकि मल-जल उपचार क्षमता उत्पादन से पीछे है।

लोगों पर प्रभाव जलजनित रोग, फ़्लोराइड, आर्सेनिक और धातुओं द्वारा दीर्घकालिक विषाक्तन, और नाइट्रेट से भरपूर जल दिए गए शिशुओं में मेथहीमोग्लोबिनरक्तता ("नीला-शिशु सिंड्रोम") हैं, इसीलिए नाइट्रेट हेतु पेयजल सीमा NO₃ के रूप में 45 mg/L है। जलीय जीवन हेतु मुख्य हानि ऑक्सीजन क्षय है: जब मल-जल नदी में मिलता है, जीवाणु उसे अपघटित करते हैं और पुनर्वातन से अधिक तेज़ी से ऑक्सीजन उपभोग करते हैं, अतः घुली ऑक्सीजन अनुप्रवाह में एक न्यूनतम, क्रांतिक बिंदु, तक गिरती है और फिर सुधरती है, वह ऑक्सीजन अवनमन वक्र बनाती हुई जिसका मॉडल स्ट्रीटर और फ़ेल्प्स ने 1925 में विऑक्सीजनीकरण और पुनर्वातन के बीच संतुलन के रूप में बनाया। नदी के साथ अवक्रमण, सक्रिय अपघटन और पुनर्प्राप्ति के क्षेत्र स्वच्छ जल को स्थान देते हैं, हर एक अपने विशिष्ट जीवों के साथ। विषैले पदार्थ मछलियों की सामूहिक मृत्यु करते हैं और, जैव-संचयन द्वारा, खाद्य शृंखला को संदूषित करते हैं; पोषक तत्व शैवाल प्रस्फुटन और सुपोषण करते हैं; और निलंबित अवसाद अंडजनन स्थलों को ढक देता है और जलीय पौधों हेतु प्रकाश रोकता है।

ग्रैब नमूना एक स्थान और क्षण का प्रतिनिधित्व करता है; मिश्रित नमूना समय के साथ, प्रायः प्रवाह के अनुपात में, लिए गए भागों को जोड़कर एक दिन के बहिःस्राव का प्रतिनिधित्व करता है। नमूनों का संरक्षण आवश्यक है क्योंकि अनेक प्राचल भंडारण में बदलते हैं: घुली ऑक्सीजन स्थल पर विंकलर अभिकर्मकों से स्थिर की जाती है; धातुओं हेतु नमूने नाइट्रिक अम्ल से अम्लीकृत किए जाते हैं; COD और पोषकों हेतु नमूने सल्फ़्यूरिक अम्ल से अम्लीकृत और लगभग 4 °C तक ठंडे किए जाते हैं; और BOD नमूने ठंडे करके घंटों के भीतर विश्लेषित किए जाते हैं। pH, तापमान, चालकता और DO का क्षेत्र में मापन सबसे अच्छा है।

कठोरता द्विसंयोजी धनायनों, मुख्यतः कैल्शियम और मैग्नीशियम, से होती है। अस्थायी (कार्बोनेट) कठोरता उनके बाइकार्बोनेटों से होती है और उबालने से हटती है, जो कैल्शियम कार्बोनेट अवक्षेपित करता है; स्थायी (अकार्बोनेट) कठोरता उनके सल्फ़ेटों और क्लोराइडों से होती है और नहीं हटती। कठोरता हर आयन की सांद्रता को CaCO₃ के तुल्यांकी भार (50) और उसके अपने (Ca²⁺ हेतु 20 और Mg²⁺ हेतु लगभग 12.15) के अनुपात से गुणा करके CaCO₃ के mg/L में व्यक्त की जाती है: कठोरता = 2.5 × Ca + 4.12 × Mg। 60 mg/L कैल्शियम और 24.3 mg/L मैग्नीशियम वाले जल की कठोरता CaCO₃ के रूप में 150 + 100 = 250 mg/L है, जो कठोर है।

सूक्ष्मजीवी गुणवत्ता सूचक जीवों से आँकी जाती है। बहु-नलिका किण्वन विधि में नमूने के भाग, सामान्यतः तीन तनुकरणों में से हर एक पर पाँच नलिकाएँ, लैक्टोज़ शोरबे में 35 °C पर 24 से 48 घंटे ऊष्मायित किए जाते हैं; गैस उत्पादन धनात्मक अनुमानात्मक परीक्षण है, जिसकी पुष्टि ब्रिलियंट ग्रीन लैक्टोज़ बाइल शोरबे में होती है और जीव को पृथक करके पूर्ण किया जाता है। धनात्मक नलिकाओं के प्रतिरूप को प्रायिकता सिद्धांत से व्युत्पन्न सारणियों द्वारा प्रति 100 mL कोलिफ़ॉर्म की सर्वाधिक संभाव्य संख्या (MPN) में बदला जाता है, जो एक गणना के बजाय सांख्यिकीय आकलन है। ताप-सहिष्णु (मलीय) कोलिफ़ॉर्म और E. coli की पहचान 44.5 °C पर ऊष्मायन से होती है। झिल्ली निस्यंदन विधि, जो मापे गए आयतन को निस्यंदित करके झिल्ली पर उगी कॉलोनियों की गणना करती है, प्रति 100 mL प्रत्यक्ष गणना देती है।

भारतीय मानक ब्यूरो द्वारा जारी IS 10500:2012 एक स्वीकार्य सीमा और, कुछ प्राचलों हेतु, एक उच्चतर अनुमेय सीमा तय करता है जो केवल वहीं लागू होती है जहाँ कोई वैकल्पिक स्रोत उपलब्ध न हो। विषैले पदार्थों तथा pH, नाइट्रेट और जीवाणुवैज्ञानिक गुणवत्ता हेतु कोई छूट नहीं है। आर्सेनिक, संशोधन के बाद मानक जैसा अब है, बिना छूट 0.01 mg/L पर रखा गया है, जो WHO दिशानिर्देश मान है।

एक पारंपरिक सतही-जल उपचार संयंत्र छनाई और वातन (जो गैसें मुक्त करता और लोहे तथा मैंगनीज़ को ऑक्सीकृत करता है) के बाद स्कंदन, ऊर्णन, अवसादन, निस्यंदन और विसंक्रमण करता है। फिटकरी जैसे स्कंदक तीव्र मिश्रण से फैलाए जाते हैं और ऊर्णक मंद मिश्रण से बढ़ाए जाते हैं, मात्रा जार परीक्षण से तय होती है। निर्मलक में कण तब बैठते हैं जब उनका अवसादन वेग पृष्ठ अतिप्रवाह दर, Q ÷ A, अर्थात् प्रवाह भाग तल-क्षेत्रफल, से अधिक हो, जो ऊर्णित जल हेतु सामान्यतः लगभग 20 से 40 m³/m²/दिन है; 25 m³/m²/दिन पर 10,000 m³/दिन उपचारित करने वाले संयंत्र को 400 m² अवसादन क्षेत्र चाहिए, और टंकी की गहराई उसका निरोध काल, V ÷ Q, तय करती है, जो सामान्यतः दो से चार घंटे है। मंद बालू निस्यंदक लगभग 0.1 से 0.2 m/h पर चलते हैं और श्मुत्ज़डेक में जैविक रूप से शोधन करते हैं, जिन्हें स्कंदन नहीं पर बड़े क्षेत्र चाहिए; तीव्र बालू निस्यंदक स्कंदन के बाद लगभग तीस गुना तेज़, लगभग 5 m/h पर, चलते हैं और पश्च-धावन से साफ़ किए जाते हैं।

विसंक्रमण प्रायः क्लोरीन से होता है। जल में क्लोरीन हाइपोक्लोरस अम्ल, HOCl, बनाती है, जो लगभग 7.5 के pKa के साथ हाइपोक्लोराइट, OCl⁻, में वियोजित होता है; HOCl विसंक्रामक के रूप में मोटे तौर पर 80 से 100 गुना अधिक प्रभावी है, अतः क्लोरीनीकरण निम्नतर pH पर बेहतर काम करता है। क्लोरीन पहले अपचायक पदार्थों से और अमोनिया से अभिक्रिया करके क्लोरामीन बनाती है; भंग बिंदु के बाद अतिरिक्त क्लोरीन मुक्त अवशिष्ट क्लोरीन के रूप में प्रकट होती है, और भंग-बिंदु क्लोरीनीकरण एक मुक्त अवशेष सुनिश्चित करता है जो वितरण तंत्र की रक्षा करता है, उपभोक्ता के नल पर कम से कम 0.2 mg/L। प्राकृतिक कार्बनिक पदार्थ से अभिक्रिया करती क्लोरीन ट्राइहैलोमेथेन जैसे विसंक्रमण उप-उत्पाद बनाती है, जिनमें से कुछ संदिग्ध कैंसरजन हैं; ओज़ोन और पराबैंगनी प्रकाश ऐसे विकल्प हैं जो कोई अवशेष नहीं छोड़ते। मृदुकरण कठोरता हटाता है: चूना-सोडा मृदुकरण में चूना कार्बोनेट कठोरता और मैग्नीशियम हटाता है, और अकार्बोनेट कैल्शियम कठोरता हटाने हेतु सोडा ऐश चाहिए; सोडियम-रूप रेज़िनों या ज़ियोलाइटों से आयन विनिमय कैल्शियम और मैग्नीशियम को सोडियम से बदलता है; और उत्क्रम परासरण अधिकांश घुले लवण हटाता है।

सक्रियित आपंक प्रक्रम में बैठाए गए मल-जल को सूक्ष्मजीवों के सघन निलंबन (मिश्रित द्रव) के साथ वातित किया जाता है, जो कार्बनिक पदार्थ को ऑक्सीकृत करते और ऊर्णित होते हैं; फिर मिश्रित द्रव द्वितीयक निर्मलक में बैठता है, अधिकांश आपंक वातन टंकी में लौटाया जाता है और अतिरिक्त निकाला जाता है। दो अभिकल्पन प्राचल प्रमुख हैं। खाद्य-सूक्ष्मजीव अनुपात, F/M = QS₀ ÷ VX, जहाँ Q प्रवाह, S₀ अंतर्वाही BOD, V वातन टंकी आयतन और X मिश्रित द्रव निलंबित ठोस है, पारंपरिक संयंत्रों हेतु सामान्यतः 0.2 से 0.4 प्रति दिन है: Q = 10,000 m³/दिन, S₀ = 200 mg/L, V = 5,000 m³ और X = 2,500 mg/L हेतु F/M = (10,000 × 200) ÷ (5,000 × 2,500) = 0.16 प्रति दिन, एक हल्का भारित संयंत्र, जिसका द्रवचालित धारण काल V ÷ Q 0.5 दिन, या 12 घंटे, है। आपंक आयतन सूचकांक, 30 मिनट के अवसादन के बाद 1 g आपंक द्वारा घेरा गया mL में आयतन, SVI = बैठा आयतन (mL/L) × 1000 ÷ MLSS (mg/L), बैठने की क्षमता मापता है: 2,500 mg/L पर 250 mL/L से 100 mL/g मिलता है, अच्छा अवसादन, जबकि लगभग 150 mL/g से ऊपर के मान स्फीति दर्शाते हैं, जो प्रायः तंतुमय जीवाणुओं से होती है। भारत में UASB रिएक्टर, जो अल्प ऊर्जा से मल-जल का अवायवीय उपचार करते और बायोगैस उत्पन्न करते हैं, और अपशिष्ट स्थिरीकरण तालाब, जहाँ भूमि उपलब्ध हो, व्यापक रूप से प्रयुक्त हैं। इन सभी प्रक्रमों से आपंक का गाढ़ापन, पाचन, जल-निष्कासन और निपटान या भूमि पर उपयोग होता है।

औद्योगिक संपदाओं के छोटे और मध्यम उद्योग प्रत्येक एक उपचार संयंत्र का व्यय नहीं उठा सकते, अतः उनके बहिःस्राव एकत्र करके सामान्य बहिःस्राव उपचार संयंत्र (CETP) में संयुक्त रूप से उपचारित होते हैं, जिसे भारत में 1990 के दशक के आरंभ से वित्तीय सहायता वाली केंद्रीय योजना का समर्थन है और जिसे सदस्य इकाइयों की एक विशेष-प्रयोजन कंपनी चलाती है। हर इकाई को अपने बहिःस्राव का CETP के प्रवेश मानकों तक पूर्व-उपचार करना होता है ताकि विषैले या असंगत अपशिष्ट जैविक उपचार को बाधित न करें; फिर CETP को निस्सरण मानक पूरे करने होते हैं। पर्यावरण (संरक्षण) नियमों के अंतर्गत अंतर्देशीय सतही जल में बहिःस्राव निस्सरण के सामान्य मानकों में 30 mg/L BOD, 250 mg/L COD और 100 mg/L निलंबित ठोस शामिल हैं। जहाँ जल दुर्लभ हो या नदियाँ संवेदनशील हों, कुछ उद्योगों से शून्य द्रव निस्सरण, वाष्पन और क्रिस्टलीकरण द्वारा जल की पुनर्प्राप्ति, अपेक्षित किया गया है।