water treament

เครื่องบำบัดน้ำเสีย
จากข้อมูลทดลองในโครงงาน ด้วยน้ำเสียสังเคราะห์ (สกัดจากเนื้อสัตว์ เพื่อให้ได้คาร์บอน ซึ่งสอดคล้องกับ ค่า COD และ BOD โดยทั่วไป ของน้ำเสียในเขตเทศบาล) แสดงให้เห็นประสิทธิภาพของ JZR เทคโนโลยี


รูปที่ 5: JZR ต้นแบบ (ใช้ sedimentation tank และ optimal membrane unit เป็น clarifier

ในโครงงานนี้ ระบบ JZR ถูกรวมเข้ากับ Clarifier (ดังรูปที่ 5) และ ทดสอบด้วยปริมาณของน้ำเสียที่ส่งเข้าระบบที่แตกต่างกัน เพื่อวัดเวลาในการกักเก็บ
ในอุตสาหกรรมอาหาร เครื่องบำบัดน้ำเสียมีความต้องการสูง เพื่อนำน้ำกลับมาใช้ใหม่ โดยต้องเป็นน้ำที่มีความบริสุทธิ์และถูกสุขลักษณะ ดังนั้น เครื่อง Pilot ที่ประกอบด้วย 2 คอนเซบป์ที่แตกต่างกัน ในกระบวนการ จึงได้ถูกออกแบบขึ้น (ดูรูปที่ 6)

Jet Zone Reactor (JZR) ที่ประกอบด้วย downstream multi-step reverse osmosis (RO) และการทำให้ปราศจากเชื้อโรค (Optimal disinfection)
เครื่องกลั่นระเหยแห้ง (Evaporator) สำหรับการกำเนิดของสารเข้มข้น (Concentrate) และการทำให้ปราศจากเชื้อโรค

รูปที่ 6: คอนเซบป์ JZR บรรลุความต้องการตามหลักอนามัย
ผลลัพธ์ที่ได้
การวิเคราะห์น้ำทิ้ง ของระบบนี้ แสดงให้เห็นว่า ระบบรีเวิร์สออสโมซิส (RO) เป็นเกราะป้องกันจุลินทรีย์ที่เชื่อถือได้ในระหว่างการทำงานที่มีความต่อ เนื่อง หรือแม้แต่ในกระบวนการน้ำทิ้งที่มีสิ่งปนเปื้อนสูง ระบบ JZR ยังสามารถจัดการได้อย่างดี โดยระบบมีค่าสัมประสิทธิ์การลดลง (Reduction) และการรักษาสภาพไว้(Retention) ที่เกือบสมบูรณ์แบบ เห็นได้จากค่าทางปฏิกริยาเคมี (COD, DOC, Phosphate) ในทั้งระบบ อยู่ระหว่าง 86 – 98%  (ดูรูปที่ 7)
รูปที่ 7: การดำเนินการที่มีความน่าเชื่อถือ ของระบบ JZR ที่รวมเข้ากับ RO unit
การย่อยสลายของ Halogenated Hydrocarbons โดยการรวมแอพพลิเคชันของเยื่อบางคัดกรอง เข้ากับถังปฏิกรณ์ชีวภาพ
ในการควบคุมปริมาณมลพิษ ด้วยการรวมหลายกรรมวิธี ในการคัดแยกทางชีวภาพเพื่อกำจัดชนิดของสารที่เป็นอันตรายในน้ำเสีย ถือว่าเป็นเรื่องที่สำคัญเป็นอย่างยิ่ง ซึ่งเรื่องนี้อาจเป็นโอกาสทางเศรษฐกิจ ในการที่จะย่อยสลายสารตกค้างที่ปะปนในน้ำเสีย และความเป็นไปได้ในการจัดการน้ำเสียในโรงงานบำบัดน้ำเสียในเขตเทศบาลอย่างมี ประสิทธิภาพ เพื่อให้บริการน้ำที่มีคุณภาพระดับน้ำดื่ม (Recycling) ซึ่งแม้แต่โรงงานบำบัดน้ำเสียในอุตสาหรรมที่ทันสมัยยังไม่สามารถดำเนินการ ได้ในระดับนี้ ถึงแม้ว่ามีความเป็นไปได้สำหรับการย่อยสลายด้วยเอมไซน์ของสารส่วนใหญ่จะมี อยู่ก็ตาม การผสมผสานของหน่วยคัดกรองแบบเมมเบรน เข้ากับถังปฏิกรณ์ (airlift loop reactor) จะเป็นตัวกำหนดสารตั้งต้นในแต่ละชนิดและปรับเปลี่ยนเวลาในการกักเก็บ สอดคล้องกับจำนวนจุลชีพที่เหลืออยู่
หลักทฤษฏี
โดยทั่วๆ ไป สารประกอบที่เป็นอันตรายส่วนมาก (ยกตัวอย่างเช่น AOX-forming substances) สามารถถูกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ อย่างไรก็ตาม มีปัญหาพื้นฐานอยู่ 3 ข้อ ซึ่งเกิดขึ้นในกระบวนการย่อยสลายทางชีวภาพ

รูปที่ 8:  Substrate-specific residence time needed for 90% degradation of landfill leachate

• ข้อแรก การย่อยสลายทางชีวภาพ ของสารที่ยากต่อการย่อยสลาย Dissolved Organic Carbons (DOC) และ AOX-forming substances ต้องการเวลาในการกักเก็บที่ยาวนานมาก ดังแสดงในรูปที่ 8

• ข้อที่ 2 ในโรงงานโดยทั่วไป ความเข้มข้นของน้ำทิ้ง โดยประมาณจะเทียบเท่ากับ ความเข้มข้นในถังปฏิกรณ์เนื่องจากการผสม ตามกฏแล้ว การย่อยสลายทางชีวภาพของสาร จะเกิดขึ้นเหนือปริมาณความเข้มข้นที่น้อยที่สุดเท่านั้น ซึ่งจำเป็นสำหรับจุลชีพขนาดเล็กในการเจริญเติบโตใน Specialized Biocenosis

• ข้อที่ 3 จุลชีพขนาดเล็ก ที่ถูกใช้ในการย่อยสลายสารคงตัว บ่อยครั้งพบว่ามีอัตราการเจริญเติบโตที่น้อยกว่าจุลชีพขนาดเล็กที่จัดการสาร ประกอบที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

การใช้ประโยชน์อย่างเต็มประสิทธิภาพของเคมีชีวภาพที่เป็นไปได้ของ ไบโอซิโนซิส สามารถถูกบรรลุได้โดยการสะสม และการเลือกกำจัดส่วนประกอบที่เป็นอันตรายในน้ำเสียเท่านั้น ด้วยจุดประสงค์นี้ สารคงตัวเหล่านี้ต้องถูกเก็บไว้ภายในถังปฏิกรณ์เท่านั้น  ดังนั้นสภาวะภายในถังปฏิกรณ์จะถูกทำให้เหมาะสมสำหรับจุลชีพ ที่ถูกปรับเข้ากับสารประกอบที่เป็นอันตรายเหล่านี้
อัตราสำหรับกระบวนการย่อยสลายที่ใช้ออกซิเจน จะลดลงได้ด้วยการเพิ่มจำนวนโมเลกุล ดังนั้นการแยกส่วนของ ส่วนประกอบน้ำเสียโมเลกุลต่ำ และสูง ถูกกำหนดด้วย หน่วยการกรองนาโน (nanofiltration unit) ซึ่งจะทำให้สะดวกในการคัดแยกสารประกอบที่ตกค้าง เช่น  สาร AOX-forming  และ เคมีโมเลกุลสูง DOC-forming จากน้ำเสีย ขณะที่ เคมีโมเลกุลต่ำ DOC และ แอมโมเนียม จะออกจากเครื่องบำบัดอย่างรวดเร็ว

แบบเครื่องบำบัด
การวิจัยของดีกรีการย่อยสลายที่ทำได้ และ Space-Time-Yield สำหรับการย่อยสลายส่วนประกอบในน้ำเสียต่างๆ ถูกจัดการในถังปฏิกรณ์แบบเมมเบรนแขวนลอย และถังปฏิกรณ์ Airlift Loop ถังปฏิกรณ์ SMR (ดังรูปที่ 9) แสดงให้เห็นถึง ถังปฏิกรณ์ Airlift Loop กับ การทำงานของ Ultrafiltration และ/หรือ Nanofiltration ที่จะคัดกรองสารที่เป็นอันตรายไว้ และปรับสารตั้งต้นจำเพาะให้สอดคล้องกับเวลาในการกักเก็บภายในถังปฏิกรณ์ ชีวภาพ

• น้ำทิ้งจาก Nanofiltration และ Ultrafiltration หลักๆ จะประกอบด้วย น้ำที่มีสารประกอบชนิด Low-Molecular Organic
• ในการประเมินผลลัพธ์ ถังปฏิกรณ์ Airlift Loop กับ ถังตกตะกอน ถูกทำการทดสอบด้วยน้ำเสียชนิดเดียวกัน
• ในการศึกษาการย่อยสลายทางชีวภาพ สารสังเคราะห์หลากหลายชนิด และชนิดของน้ำเสียจริงจากอุตสาหกรรมสิ่งทอ (Shrink Proofing Process) ถูกใช้ในการทดสอบ

รูปที่ 9:   Suspension membrane reactor (SMR)

ผลลัพธ์ที่ได้
ความเข้มข้นของ DOC ในการไหลเข้ามา ภายในถังปฏิกรณ์ และในทางระบายน้ำของเครื่องบำบัดทั้งสองชนิด ระหว่างการทดลองภายในระยะเวลา 70 วัน และใช้3-Chlorobenzoic Acid กับสารที่ย่อยสลายได้ยาก แสดงให้เห็นในรูปที่ 10

รูปที่ 10: ความเข้มข้นของ DOC โดยใช้ 3-Chloro-benzoic acid เป็นสารตั้งต้น ซึ่งขึ้นอยู่กับระยะในการทดลอง

• ในถังปฏิกรณ์ SMR ความเข้มข้น DOC ภายในถังปฏิกรณ์สูงกว่า เนื่องจากได้ติดตั้งเมมเบรน ในขณะที่ระบบปฏิกรณ์ทั่วไป ความเข้มข้นในน้ำทิ้งจะสมดุลกับความเข้มข้นภายในถังปฏิกรณ์ที่เกิดจากการผสม ซึ่งทำให้อัตราเกิดปฏิกริยาเพิ่มขึ้น และทำให้ความเข้มข้นของ DOC ในน้ำทิ้งถูกลดลง
• ดีกรีของการย่อยสลายสำหรับ DOC สูงกว่า เมื่อใช้ถังปฏิกรณ์ SMR อย่างไรก็ตาม ในกรณีของ 3-chlorobenzoic acid ไม่สูงเท่า และความแตกต่างกันระหว่าง ระบบปฏิกรณ์ทั่วไป กับถังปฏิกรณ์ SMR มีน้อยกว่า
• ข้อวินิจฉัยถูกตรวจสอบว่าถูกต้อง เมื่อใช้ ถังปฏิกรณ์ SMR ในการบำบัดน้ำเสียจริงจาก (shrink proofing process) น้ำ เสียที่ใช้โดยปกติจะเต็มไปด้วยสารที่มีสิ่งมีชีวิต และไม่มีชีวิตจำนวนมาก ความเข้มข้นเฉลี่ยของค่า COD จะอยู่ที่ 3350 มิลลิกรัม/ลิตร DOC ที่ 800 มิลลิกรัม/ลิตร และ AOX ที่ 20 มิลลิกรัม/ลิตร เห็นได้ว่า การกักเก็บ และการสะสมของส่วนประกอบน้ำเสีย อัตราการเปลี่ยนแปลงที่สูงสามารถเกิดขึ้นได้สำหรับการย่อยสลายทางชีวภาพ ดังแสดงในรูปที่ 11

รูปที่ 11: ดีกรีการย่อยสลายของ DOC, COD และ AOX (ค่าเฉลี่ย) ขึ้นอยู่กับเวลาในการกักเก็บโดยรวมใน SMR

บทสรุป
ในการเปรียบเทียบระหว่าง ระบบปฏิกรณ์ทั่วๆ ไป กับ (SMR และถังตกตะกอน) เห็นได้ชัด โดยเฉพาะที่อัตราปริมาณงานที่มาก การทำงานร่วมกันของแอพพลิเคชั่น Membrane filtration และ ถังปฏิกรณ์ ประสบความสำเร็จอย่างมากในการลดสารประกอบที่เป็นอันตรายในน้ำทิ้ง

การรวมกระบวนการ Nitrification / Denitrification ใน Membrane Reactor
ข้อห้ามตามกฏหมายที่เกี่ยวกับน้ำเสีย นำไปสู่ความต้องการที่เพิ่มมากขึ้น ของเครื่องบำบัดน้ำเสียชีวภาพ ที่สามารถเลือกกำจัดสารประกอบไนโตรเจน ที่มีความเข้มข้นในการไหลที่สูง
หลักทฤษฏี
ถังปฏิกรณ์ชีวภาพในทางการค้า ไม่สามารถทำได้ตามข้อบังคับเหล่านี้ ดังนั้น Membrane Tube Module (MTM) จึง ถูกพัฒนาขึ้นที่ University of Bremen นวัตกรรมเทคโนโลยีถังปฏิกรณ์ใช้ประโยชน์จากชั้นต่างๆ ทั้งหมดใน ไบโอฟิล์ม โดยทำให้กระบวนการ nitrification และ denitrification เกิดขึ้นได้พร้อมๆ กัน ภายใต้สภาวะที่มีประสิทธิภาพสูงสุด  ปัญหาพื้นฐานในการกำจัดไนโตรเจนเกิดขึ้นจากความจริงที่ว่า Nitrifying Bacteria ซึ่งสันดาบแอมโมเนียม แสดงให้เห็นถึงการเจริญเติบโตที่ช้ามาก เมื่อเทียบกับ แบคทีเรียเฮเทโรโทรฟิก (Heterotrophic Bacteria) ซึ่ง ต้องการออร์แกนิก คาร์บอน  ในเวลาเดียวกับที่กระบวนการ Nitrification ต้องการปริมาณของออกซิเจนมาก ในทางตรงกันข้าม กระบวนการ Denitrification สามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจนมาก (Anoxic Conditions) จากการที่สารตั้งต้นจะถูกส่งเข้าสู่ระบบในเส้นทางเดียวกัน การแย่งกันในกระบวนการต่างๆ จึงเกิดขึ้นภายใน ฟล็อก หรือไบโอฟิล์ม ทางแก้เรื่องนี้คือการเลี้ยงไบโอฟิล์มที่ตรงข้าม (Reverse Biofilm) บน Oxygen Permeable Membrane Tube ขณะที่จุลชีพจะถูกส่งเข้าไปกับสารตั้งต้นในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้น Nitrifying Bacteria ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ที่แกนของฟล๊อก หรือไบโอฟิล์ม จะไม่ได้รับผลกระทบจากการส่งออกซิเจนที่น้อยเกินไป

รูปที่ 12:  แผนผังโครงสร้างไบโอฟิล์ม ในการเติมอากาศของ

ระบบทั่วไป
นอกจากนี้ แหล่งของออร์แกนิกคาร์บอน ซึ่งมีความจำเป็นสำหรับกระบวนการ Denitrification ซึ่งโดยทั่วๆไปอาจถูกใช้หมดในพื้นที่ที่มีออกซิเจนภายนอกของฟล็อก หรือไบโอฟิล์ม แต่จะยังคงมีเหลืออยู่ในปริมาณที่เพียงพอ (ดูรูปที่ 12 และ 13)

รูปที่ 13: แผนผังโครงสร้างไบโอฟิล์ม ในการเติมอากาศของการเติม อากาศแบบเมมเบรน
แบบเครื่องบำบัด
การแยกกันของสารตั้งต้น และการเคลื่อนย้ายออกซิเจน และการออกแบบโครงสร้างไบโอฟิล์มถูกจัดให้อยู่ในถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเดี่ยว (รูปที่ 14)  การปรับเปลี่ยนได้ในทุกๆ สภาวะที่จำเป็นในไบโอฟิล์ม สามารถถูกจัดการได้ เพื่อทำให้กระบวนการ Nitrification สามารถเกิดขึ้นได้ที่ภายในของไบโอฟิล์ม และกระบวนการ Denitrification จะเกิดขึ้นภายนอก

รูปที่ 14: Membrane-Tube-Module (MTM) Reactor

Membrane Tubes จะถูกจัดให้อยู่ในขดลวด และก่อเป็นแกนของ ถังปฏิกรณ์ MSM ในถังปฏิกรณ์ MSM ไบโอฟิล์มซึ่งถูกยึดไว้บน Membrane Tube จะถูกเติมออกซิเจนจากภายใน และภายนอกน้ำเสียจะถูกหมุนเวียนอยู่โดยรอบ
วิธีนี้พื้นที่ที่มีออกซิเจนจะมีเหลืออยู่บนพื้นผิวของเมมเบรน และออกซิเจนละลายน้ำจะถูกใช้โดยเชื้อ Nitrifying Bacteria ภายใต้สภาวะที่ได้ผลดีที่สุด และแอมโมเนียมจะถูกแปลงเป็นไนไตรท์ และไนเตรต การเพิ่มระยะทางจาก Membrane Tube ทำให้ไม่มีออกซิเจนเหลืออยู่ เชื้อ Denitrifying Bacteria ที่อาศัยอยู่ส่วนนี้ของไบโอฟิล์ม จะเผาผลาญไนไตรท์ และไนเตรต ที่ก่อตัวภายในไบโอฟิล์ม ให้มีลักษณะเป็นก๊าซไนโตรเจน (N2) ภายใต้การย่อยสลายพร้อมๆ กัน ของ DOC ที่มีอยู่
ผลลัพธ์จากกระบวนการ Nitrification และ Denitrification ที่เกิดขึ้นพร้อมกัน ด้วยไบโอฟิล์มที่มีความเสถียร ทำให้มีประสิทธิภาพในการย่อยสลายที่สูง และกระบวนการที่มีความเสถียร

ผลลัพธ์
ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพของระบบ ประสบความสำเร็จในการทดสอบครั้งแรกด้วยการใช้ น้ำเสียสังเคราะห์ และต่อมาทดสอบด้วยแอพพลิเคชันจริงโดยใช้น้ำทิ้งจากโรงงานที่นำน้ำจากซาก สัตว์กลับมาใช้ใหม่ และโรงงานถ่านหิน
ผลลัพธ์ที่ได้ ดังแสดงในรูปที่ 15 สนับสนุนกระบวนการที่ดีกว่าของถังปฏิกรณ์เมมเบรน เพื่อแสดงให้เห็นอย่างชัดเจน อัตราการย่อยสลายของระบบสามารถทำได้ที่ 100% ในการกำจัดไนโตรเจนซึ่งเห็นได้จากกราฟที่แสดงผล

รูปที่ 15:   อิทธิพลของกระบวนการ ไฮโดรไดนามิก ในอัตราการย่อยสลาย ของแอมโมเนียม
อัตราปฏิกริยาที่เกิดขึ้นสามารถถูกแบ่งเป็นพื้นที่ ด้วยการเคลื่อนย้ายมวลสารที่จำกัด และอัตราการเติมที่ปริมาณต่ำในทางหนึ่ง และภายในพื้นที่จำกัดของปฏิกริยาที่อัตราการเติมที่ปริมาณสูงอีกทางหนึ่ง ภายในพื้นที่ที่จำกัดการเคลื่อนย้ายมวลสาร ทำให้มีอิทธิพลต่อกระบวนการ โดยการควบคุมจะดีขึ้นมาก เนื่องจากสภาวะของหัวควบคุมที่มีความเร็ว ดังนั้นค่า Reynolds จะมีความแน่นอน โดยทั่วไปการแลกเปลี่ยนถ่ายเทความร้อนของมวลสารในระบบ จะรับผิดชอบในการวางโครงร่างของไบโอฟิล์ม ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสูง และรักษาสภาวะที่ใกล้เคียงกระบวนการ Nitrification สำหรับการรวมกระบวนการ Nitrification และ Denitrification
อัตราที่ลดลงในกระบวนการ Nitrification ซึ่งเกิดระหว่างการทับซ้อนกันของกระบวนการ Denitrification เกิดมาจากการความต้านทานที่เพิ่มขึ้นเมื่อมวลสารถูกเคลื่อนย้ายในพื้นที่ที่ เกิดกระบวนการ Denitrification ซึ่งทำให้เกิดผลติดลบในอัตราการเกิดกระบวนการ Nitrification ยิ่งไปกว่านั้นความต้านทานที่เพิ่มขึ้นเมื่อมวลสารถูกเคลื่อนย้ายที่ความ เข้มข้นต่ำของแอมโมเนียม หรือแอมโมเนีย จะนำไปสู่การจำกัดของสารตั้งต้น

บทสรุป
ผลลัพธ์ที่ได้แสดงถึง การเกิดขึ้นพร้อมกันและการเลือกกำจัดชีวภาพของไนโตรเจน ของระบบที่ถูกพัฒนาขึ้นใหม่นี้ MSM มีความเป็นไปได้อย่างยิ่ง เห็นได้จากการแยกสารตั้งต้น และการเติมออกซิเจน ทำให้การรวมกันของกระบวนการ Nitrification และ Denitrification ในไบโอฟิล์มสามารถเกิดขึ้นได้ การก่อตัวของรูปร่างไบโอฟิล์ม ถูกทดสอบด้วยกระบวนการตรวจวัดหลายวิธีและได้ผลลัพธ์ที่ดี ยิ่งไปกว่านั้นปัจจัยหลักที่เป็นอิทธิพล เช่น Hydrodynamics (Reynolds’ number) ค่า pH ความเข้มข้นของสารตั้งต้น และอายุของไบโอฟิล์ม นับว่าผ่านการทดสอบทั้งหมด นอกเหนือจากความสำเร็จของการทดลองภายในห้องปฏิบัติการแล้ว ระบบยังประสบความสำเร็จเป็นอย่างดีเมื่อถูกใช้ในการบำบัดน้ำเสียที่เป็น ปัญหาอย่างมากจากโรงงานที่นำน้ำจากซากสัตว์กลับมาใช้ใหม่ และโรงงานถ่านหิน

ข้อมูลจาก:Institute of Environmental Process Engineering
University of Bremen, Germany
Prof. Dr.-Ing. Norbert Raebiger
Leobener Str.
D-28359 Bremen