177 301 Chemical Industrial Process Water Chemeng, KKU, M.Thabuot

คุณภาพน้ำ Physical property Turbidity ความขุ่น Color สี True Color (from dissolved impurities) Apparent Color (from dissolved and suspended impurities) Odor กลิ่นในน้ำมักเกิดจากการที่น้ำมีจุลินทรีย์ Taste รสชาดในน้าเกิดจากการละลายน้ำของเกลืออนินทรีย์ Temperature Chemeng, KKU, M.Thabuot

คุณภาพน้ำ Chemical Property pH value บอกความเป็นกรดด่าง น้ำบริสุทธิ์ pH ควรประมาณ 6-8 Hardness บอกความกระด้างของน้ำ Alkalinity ความเป็นด่างของน้ำ เพื่อให้ทราบว่าต้องใช้กรดทำให้เป็นกลางเท่าไร Acidity ความเป็นกรดของน้ำเพื่อให้ทราบว่าต้องใช้ด่างทำให้เป็นกลางเท่าไร Chemical oxygen Demand (COD) คือ ปริมาณออกซิเจนที่ใช้ในการย่อยสลายสารอินทรีย์ด้วยวิธีการทางเคมี Chemeng, KKU, M.Thabuot

คุณภาพน้ำ Biochemical Oxygen Demand (BOD) บอกถึงปริมาณออกซิเจนที่จุลินทรีย์ใช้ในการย่อยสลายสารอินทรีย์ ถ้ามีค่าสูง = ต้องการออกซิเจนสูง = สกปรก/มีสารอินทรีย์ในน้ำมาก Solids บอกปริมาณสารต่างๆ ที่มีอยู่ในน้ำ Dissolved Solids ของแข็งที่ละลายน้ำได้ Suspended Solid ของแข็งที่แขวนลอยอยู่ในน้ำ Settleable Solids ของแข็งที่หนักและจมตัวอยู่ในน้ำ Iron, Manganese, Floride, Zinc, Nitrile, Nitrate, Arsenic,Chloride & Hydrogen Sulfide Chemeng, KKU, M.Thabuot

Bacteriological Property จุลินทรีย์ที่ไม่ทำให้เกิดโรค (Nonpathogenic Microorganism) จุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรค (Pathogenic Microorganism) Chemeng, KKU, M.Thabuot

Introduction to Hardness Hardness is an important water quality parameter in determining the suitability of water for domestic and industrial uses Hard waters require considerable amounts of soap to produce foam Hard waters produce scale in hot-water pipers, heaters and boilers Ca2+ + 2HCO3-  CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O Groundwater is generally harder than surface water Chemeng, KKU, M.Thabuot

Introduction to Hardness Major cations and anions causing of Hardness Cations causing hardness Anions Ca++ HCO3- Mg++ SO4= Sr++ Cl- Fe++ NO3- Mn++ SiO3= Chemeng, KKU, M.Thabuot

Introduction to Hardness Total hardness = Carbonate hardness + Noncarbonate hardness Carbonate hardness = temporary hardness; eliminated at elevated temperatures in boilers Ca2+ + 2HCO3-  CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2HCO3- + Ca(OH)2  2CaCO3 + 2H2O Noncarbonate hardness = permanent hardness; can not be removed or precipitated by boiling. Noncarbonate hardness cations are associated with SO42-, Cl- and NO3-. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Introduction to Hardness Water hardness mg/L or ppm Classification as CaCO3 Soft 0-60 Moderate 61-120 Hard 121-180 Very hard >180 Chemeng, KKU, M.Thabuot

Mainline Water Treatment Processes Storage Disinfection Physical: UV radiation, heat, membrane filters Chemical: Chlorine, ozone, chlorine dioxide, iodine, other antimicrobial chemicals Filtration Rapid granular media Slow sand and other biological filters Membrane filters: micro-, ultra-, nano- and reverse osmosis Other physical-chemical removal processes Chemical coagulation, precipitation and complexation Adsorption: e.g., activated carbon, bone char, etc, Ion exchange: synthetic ion exchange resins, zeolites, etc. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Distillation heat water to boiling condense vapor ions left behind energy intensive Heat Source Cooling Water Raw Water Treated Steam Chemeng, KKU, M.Thabuot

Disinfection: Types of disinfection UV Gaseous Cl2 Most commonly used Advantage: provide residual chlorine for the protection from bacterial growth in distribution system Disadvantage: The formation of disinfection by-products (trihalomethanes) presents a health risk Chlorine dioxide (ClO2): No disinfection by-products such as trihalomethanes Ca(ClO)2: Safer than Cl2 Ozonation Chemeng, KKU, M.Thabuot

UV disinfection UVA (320-400 nm/suntan) UVB (280-320 nm/sun burn) UVC (200-280 nm/cell mutations, cancer, cell death) Chemeng, KKU, M.Thabuot

UV disinfection กลไกการผลิตแสงUV กลไกการฆ่าเชื้อ กลไกการซ่อมแซมเซล Chemeng, KKU, M.Thabuot

UV disinfection กลไกการผลิตแสงUV Chemeng, KKU, M.Thabuot

UV disinfection UV Dosage The UV Dose Is Calculated As Follows: D = I  T Where: D = UV Dose, mWs/cm2 I = Intensity, mW/cm2 T = Exposure Time, แสดงถึงปริมาณแสงUVที่ฉายเข้าไปมีผลต่อความสามารถในการฆ่าเชื้อ  Dมากขึ้น ความสามารถในการฆ่าเชื้อดีขึ้น Chemeng, KKU, M.Thabuot

UV disinfection UV absorption Chemeng, KKU, M.Thabuot

UV disinfection Percent Transmittance Percent transmittance = 100 x 10-A when A = absorbance พารามิเตอร์แสดงการดูดซับแสงUVของน้ำ (หรือเรียกได้ว่า % การผ่านของแสงUVในน้ำ) ต่อ1หน่วยความลึกที่เน้น ถึงปัจจัยเฉพาะอื่นๆในน้ำเช่นความขุ่น,ฯลฯเป็นสำคัญ Chemeng, KKU, M.Thabuot

UV disinfection ที่มา EPA 815-R-99-014 (http://www .epa.gov/safewater/mdbp/mdbptg.html) จะเห็นได้ว่า น้ำที่คุณภาพดี จะยิ่งมี Percent Transmittanceสูง แสดงว่าใช้ UV dose จำนวนน้อยก็สามารถฆ่าเชื้อได้ตามต้องการ Chemeng, KKU, M.Thabuot

UV disinfection ข้อดีของการฆ่าเชื้อโดยแสงอัลตราไวโอเลต Effective disinfectant against bacteria and viruses. Short contact time. No residual toxicity. No chemicals to handle. Relatively inexpensive. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Selection of UV Unit system The Selection of UV Unit system depends on the following: General Water Quality Turbidity Hardness Iron and Manganese Bacterial Levels Source Water Type and Overall Water Quality ? Chemeng, KKU, M.Thabuot

UV disinfection : Simple UV water system Sand pre-filter Connecting pipes UV treatment system Clean storage container Safe nozzle Stand Chemeng, KKU, M.Thabuot

UV disinfection : commercial small scale UV system Chemeng, KKU, M.Thabuot

UV disinfection : UV reactors Chemeng, KKU, M.Thabuot

UV disinfection : UV reactors Chemeng, KKU, M.Thabuot

Ozonation การทำลายโอโซน การผลิตโอโซน การให้โอโซนสัมผัสน้ำ Chemeng, KKU, M.Thabuot

Ozonation เตรียมอากาศ Input air ควรแห้ง(จุดควบแน่นไม่เกิน-60°C)และสะอาด(ไม่ควรมี ฝุ่นที่มีขนาดเกิน1m) Chemeng, KKU, M.Thabuot

Ozonation อุปกรณ์ผลิตโอโซน Air g e- d (+) (-) ที่มา EPA 815-R-99-014 (http://www.epa.gov/safewater/mdbp/mdbptg.html) (-) (+) e- Air d g Chemeng, KKU, M.Thabuot

Ozonation ขั้นตอนการให้โอโซนสัมผัสน้ำ feed ทิศเดียวกับทิศน้ำไหล Chemeng, KKU, M.Thabuot

Ozonation ขั้นตอนการให้โอโซนสัมผัสน้ำ Chemeng, KKU, M.Thabuot

Ozonation: ใช้การเติมโอโซนอย่างเดียวเลย เป็นวิธีบำบัดสี, ความขุ่นและสารปนเปื้อนจากน้ำมันในน้ำบาดาล แล้วปล่อยกลับสู่ดินใหม่ เป็นการแก้ปัญหาคุณภาพแหล่งน้ำธรรมชาติ Chemeng, KKU, M.Thabuot

ค่าใช้จ่ายของระบบเติมโอโซนเทียบกับระบบเติมคลอรีน Chemeng, KKU, M.Thabuot

FILTRATION Used to remove suspended particles (turbidity), inorganic matters incl. microbes. Rapid granular media Slow sand and other biological filters Membrane filters: micro-, ultra-, nano- and reverse osmosis Diatomaceous earth filters: fossilized skeletons of diatoms (crystalline silicate); powdery deposit Chemeng, KKU, M.Thabuot

Rapid Sand Filtration Plant Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot

FILTRATION: Slow Sand Filters Slow sand filters are operated at a much lower loading rate. Surface filtration is promoted in these filters because of the lower loading rates and because the effective size of the sand is smaller than that of the rapid sand filters. Effective size for these filters is 0.35 mm as compared to 0.4 - 1.0 mm for rapid sand filters. Chemeng, KKU, M.Thabuot

FILTRATION: Slow Sand Filters Filter through a 3‑ to 5‑ft deep bed of unstratified sand flow rate ~0.05 gallons per minute per square ft. Biological growth develops in the upper surface of the sand is primarily responsible for particle and microbe removal. Effective without pretreatment of the water by coagulation‑flocculation Chemeng, KKU, M.Thabuot

FILTRATION: Slow Sand Filters No backwashing is employed with these filters, instead the upper 1 - 2" of sand is periodically scraped off and removed with periodic addition of new sand Periodically clean by removing, cleaning and replacing the upper few inches of biologically active sand Removal mechanism primarily by filter cake on the surface of the sand Chemeng, KKU, M.Thabuot

FILTRATION: Slow Sand Filters Chemeng, KKU, M.Thabuot

FILTRATION: Slow Sand Filters Advantage: No backwash requirements Effective in removing enteric microbes from water. Virus removals >99% in lab models of slow sand filters. Parasite removals ~ 99% Disadvantage Need large surface area because of the low hydraulic loading rate. Chemeng, KKU, M.Thabuot

FILTRATION: Membrane Filters A membrane is a selective barrier that permits the separation of certain species in a fluid by combination of sieving and diffusion mechanisms Membranes can separate particles and molecules and over a wide particle size range and molecular weights Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot

Sieving, Diffusion & Pore Flow Chemeng, KKU, M.Thabuot

FILTRATION: Membrane Filters Membrane Processes are becoming popular because they are considered “Green” technology - no chemicals are used in the process Chemeng, KKU, M.Thabuot

FILTRATION: Membrane Filters Permeate: The portion of the feed stream that passes through the membrane Flux: The permeate flowing through the membrane per unit time and per unit surface area (m3/m2-hr) Chemeng, KKU, M.Thabuot

Membrane Classification Chemeng, KKU, M.Thabuot

Membrane Classification Based on Material Biological: Animal or Plant origin Synthetic: Organic (polymeric) and Inorganic (ceramics) membranes are of importance in Env. Eng. (Example of organic membrane: cellulose acetate, cellulose esters, polypropylene polyamides, polysulfones, etc.); organic- cheaper. Ceramic: Alumina, Titania, and Zirconia: high thermal/chemical resistant Chemeng, KKU, M.Thabuot

Driving Force in Membrane Separation Pressure driven membrane processes Microfiltration (MF) : P Ultrafiltration (UF) : P Nanofiltration (NF) : P Reverse Osmosis (RO) : P Electrical driven membrane processes Electrodialysis (ED) : E Concentration driven membrane processes Dialysis : C Osmosis : C Chemeng, KKU, M.Thabuot

Membrane Classification Based on Morphology or Structure Symmetric: All porous or non-porous (10-200  m) of identical morphology. Asymmetric: membrane constituted of two or more structural planes of non-identical morphologies A thin dense layer (0.1 -0.5  m) or skin supported by a porous sublayer (50 – 150  m). Chemeng, KKU, M.Thabuot

Membrane Classification Based on Operational Modes Dead-end: The fluid flows at right angle to the membrane. Cross-flow: The fluid runs parallel to the membrane. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Deposited particles form “Cake Layer” Suitable for more concentrated suspension More frequent cleaning Chemeng, KKU, M.Thabuot

ใช้เมื่อน้ำที่ต้องการบำบัดมีความเข้มข้นน้อย Dead-end operation - Pathogenes and phosphate removal from sewage - Disinfection of drinking and surface water - Treatment of filter backwashing effluents ใช้เมื่อน้ำที่ต้องการบำบัดมีความเข้มข้นน้อย Chemeng, KKU, M.Thabuot

Minimize cake formation Recycling of feed stream More energy requirement Stable flux Chemeng, KKU, M.Thabuot

ใช้เมื่อน้ำที่ต้องการบำบัดมีความเข้มข้นมาก Cross-flow operation - separation of water from the effluent of activated sludge bioreactors, a larger distance between the membrane cushions is optimal in combination with cross-flow operation. ใช้เมื่อน้ำที่ต้องการบำบัดมีความเข้มข้นมาก Chemeng, KKU, M.Thabuot

เมมเบรน ปั๊มความดัน Chemeng, KKU, M.Thabuot

Flow diagram of a unit with 15 modules in series; Total membrane area: 150 m2 Flow diagram of a unit with 10 modules in parallel; Total membrane area: 100 m2 Chemeng, KKU, M.Thabuot

Membrane Classification Chemeng, KKU, M.Thabuot

Membrane Classification Based on Pore Size Microfiltration (MF) : 0.15 to 50 micron or higher Ultrafiltration (UF) : 0.003 to 0.2 micron Nanofiltration (NF) : 0.001 to 0.003 micron Reverse Osmosis (RO) : 0.0005 micron Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot

Membrane Types Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot

MEMBRANE: Microfiltration Simple screening mechanism Pore size 0.01 μm - 10 μm P  0.01 to 0.5 MPa Low pressure process Most effectively remove particles and microorganisms (bacteria) High flux Colloids/Macromole ---> theoretically pass through the membrane Chemeng, KKU, M.Thabuot

MEMBRANE: Microfiltration Any filtration mode Any membrane configuration Needs back flushing and air scour Operating pressure ~ 20-30 psi Highly automated! Can add coagulants to enhance filtration Can be a good pretreatment for RO or NF Chemeng, KKU, M.Thabuot

Typical MF Membrane System Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot

MEMBRANE: Ultrafiltration Screening and Adsorption Pore size 1 - 100 nm P ~0.1 to 1 MPa Two layers: a thin (0.1 to 0.5 µm), skin layer and a porous substructure support layer Separation of macromolecules Only surface deposition - no internal pore plugging- so, relatively easy to remove, irreversible Chemeng, KKU, M.Thabuot

MEMBRANE: Ultrafiltration Cross flow or transverse flow Any membrane configuration Use re-circulation for high TSS Operating pressures ~ 50 psi Uses back flush to loosen fouling Excellent pretreatment for RO or Posttreatment for ED. Chemeng, KKU, M.Thabuot

UF can replace several conventional processes Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot

MEMBRANE: Nanofiltration NF Removes molecules in the 0.001 micron range P ~0.5 to 6 MPa NF is essentially a lower-pressure version of reverse osmosis NF performance characteristics between reverse osmosis and ultrafiltration Nanofiltration: Water softening, removal of organic matter, desalting of organic reaction products. Cross flow or transverse flow Any membrane configuration Chemeng, KKU, M.Thabuot

Desalting Plant Chemeng, KKU, M.Thabuot

MEMBRANE: Reverse Osmosis Spiral wound or hollow fine fiber Pretreatment is critical to success NTU <1 Operating pressures from 150 - 1000 psi Removes >95-99% TDS Concentrate Stream is 15-25% of flow with 4 to 6 times the TDS. Chemeng, KKU, M.Thabuot

MEMBRANE: Reverse Osmosis Membrane: similar to UF, thin active layer; porous support layer RO has the separation range of 0.0001 to 0.001m Desalination (seawater and brackish water), metal plating effluent treatment, color removal from textile effluents, production of high purity water (boiler feed, electronics, medical, pharmaceutical) Chemeng, KKU, M.Thabuot

Reverse Osmosis force water through membrane removes many contaminants Chemeng, KKU, M.Thabuot

MEMBRANE: Reverse Osmosis Chemeng, KKU, M.Thabuot

Reverse Osmosis Most common types of RO are: Spiral Wound Hollow Fiber Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot

Hollow fiber: Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot

RO Package System Chemeng, KKU, M.Thabuot

Applications of Micro- and Ultrafiltration Conventional water treatment (replace all processes except disinfection). Pretreat water for R.O and nanofiltration. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Applications for R.O. and nanofiltration R.O. application mostly desalination. Nanofiltration first developed to remove hardness Chemeng, KKU, M.Thabuot

RO Package Chemeng, KKU, M.Thabuot

Membrane Fouling Fouling Chemeng, KKU, M.Thabuot

Membrane Fouling Vibrating shear to prevent fouling Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot

Merits and Demerits of Membrane Process It reduces the number of unit processes in treatment systems Potential for process automation and plant compactness Much smaller foot print than the conventional plants of the same capacity Easy scale-up, and expansion Chemeng, KKU, M.Thabuot

Merits and Demerits of Membrane Process Less or no chemical use and provides highest quality water No formation of secondary chemical by-products Less sludge production Water reuse and recycling Demerits Membrane fouling Low membrane life time Low selectivity High capital and operating cost Chemeng, KKU, M.Thabuot

Electrodialysis In the ED process a semi-permeable barrier allows passage of either positively charged ions (cations) or negatively charged ions (anions) while excluding passage of ions of the opposite charge. These semi-permeable barriers are commonly known as ion-exchange, ion-selective or electrodialysis membranes. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Electrodialysis Chemeng, KKU, M.Thabuot

Electrodialysis Chemeng, KKU, M.Thabuot

COAGULATION Various sizes of particles in raw water Particle diameter Type Settling velocity 10 mm Pebble 0.73 m/s 1 mm Course sand 0.23 m/s 0.1 mm Fine sand 0.6 m/min 0.01 mm Silt 8.6 m/d 0.0001 (10 micron) Large colloids 0.3 m/year 0.000001 (1 nano) Small colloids 3 m/million year G r a v i t y s e t t l i n g Chemeng, KKU, M.Thabuot

COAGULATION Colloids – so small, gravity settling not possible Metal precipitates are usually colloidal H2O Colloid Colloids have a net negative surface charge Electrostatic force prevents them from agglomeration Brownian motion keeps the colloids in suspension Chemeng, KKU, M.Thabuot

COAGULATION Coagulation is the destabilization of colloids by addition of chemicals that reduce the negative charges The chemicals are known as coagulants, usually higher valence cationic salt (Al3+, Fe3+ etc.) Chemeng, KKU, M.Thabuot

Typical coagulants COAGULATION Aluminum sulfate: Al2(SO4)3.14 H2O Polyaluminum Chloride (PAC): Al2(OH)3Cl3 Iron salt- Ferric Sulfate: Fe2(SO4)3 Iron salt- Ferric Chloride: Fe2Cl3 Chemeng, KKU, M.Thabuot

COAGULATION Aluminum Chemistry Al2(SO4)3.14 H2O  2Al(OH)3+ 8H2O + 3H2SO4-2 Al2(SO4)3.14 H2O + 6HCO3-  2Al(OH)3+ 6CO2 + 14H2O + 3SO4-2 With alum addition, what does happen to water pH? (Optimum pH: 5.5 – 6.5) 1 mole of alum consumes 6 moles of bicarbonate (HCO3-) Chemeng, KKU, M.Thabuot

COAGULATION Alkalinity calculation If 200 mg/L of alum to be added to achieve complete coagulation. How much alkalinity is consumed in mg/L as CaCO3? Chemeng, KKU, M.Thabuot

COAGULATION Al2(SO4)3.14 H2O + 6HCO3-  2Al(OH)3+ 6CO2 + 14H2O + 3SO4-2 594 mg 366 mg 594 mg alum consumes 366 mg HCO3- 200 mg alum will consume (366/594) x 200 mg HCO3- = 123 mg HCO3- Alkalinity in mg/L as CaCO3 = 123 x (80/61) = 161 mg/L as CaCO3 Chemeng, KKU, M.Thabuot

COAGULATION Iron Chemistry FeCl3+ 3HCO3-  Fe(OH)3+ 3CO2 + 3Cl- With Iron salt addition, what does happen to water pH? (Wider pH range of: 4 – 9; Best pH range of 4.5 – 5.5) 1 mole of FeCl3 consumes 3 moles of bicarbonate (HCO3-) If alkalinity is not enough, pH will reduce greatly due to hydrochloric acid formation. Lime or sodium carbonate may be needed to neutralize the acid. Lime is the cheapest one. Chemeng, KKU, M.Thabuot

COAGULATION Rapid Mixing To uniformly mix the coagulant with colloidal matters present in raw water so as to bring about colloidal destabilization Chemeng, KKU, M.Thabuot

COAGULATION Chemeng, KKU, M.Thabuot

FLOCCULATION Flocculation - agglomeration of colloids by collisions to form separable flocs Flocculator is designed mainly to provide enough interparticle contacts to achieve particles agglomeration so that they can be effectively removed by sedimentation or floctation Chemeng, KKU, M.Thabuot

Typical layout of a water treatment plant Chemeng, KKU, M.Thabuot

การดูดติดผิว (Adsorption) เป็นการบำบัดน้ำโดยการใช้สารที่มีคุณสมบัติในการดูดติดผิวเช่นถ่านกัมมันต์ดูดสารที่ต้องการกำจัดออกจากน้ำ ใช้กำจัดได้ทั้งโลหะหนักและสารอินทรีย์ย่อยสลายยาก(ที่มาของสีและกลิ่น)ในน้ำ adsorption ต่างจาก absorption ตรงที่อย่างแรกดูดติดผิว ส่วนอย่างหลังซึมซับเข้าไปข้างในโครงสร้าง(เช่นการกลืนอาหาร) Chemeng, KKU, M.Thabuot

การดูดติดของสารต่างๆ ไม่มีขั้ว…ส่วนใหญ่จะถูกดูดติดได้ดีเช่น benzene, toluene, gasoline, kerosene  น้ำหนักโมเลกุล สารอินทรีย์ มีขั้ว…ตามหลักการน่าจะถูกดูดติดได้ไม่ดี แต่มีข้อยกเว้นเช่น acetic acid, benzoic acid, dyes, pesticides โลหะ…บางชนิดถูกดูดติดได้ดีเช่น antimony, arsenic, chromium สารอนินทรีย์ ไม่ใช่โลหะ…บางชนิดถูกดูดติดได้เช่น ไอโอดีน Chemeng, KKU, M.Thabuot 2

พื้นที่ผิวจำเพาะ 50-200 m2/g จับโมเลกุลได้ไม่กี่ชนิด นิยม สารที่มีอำนาจดูดติด พื้นที่ผิวจำเพาะ 50-200 m2/g จับโมเลกุลได้ไม่กี่ชนิด นิยม 1. ถ่านกัมมันต์ 2. สารอนินทรีย์อื่นๆ แบบผง ( PAC : Powder Activated Carbon) กระดูกสัตว์, กะลา, เมล็ดผลไม้ ดินเหนียว แมกนีเซียมออกไซด์ ไล่ความชื้น เผา 400-600°C ถ่านกระดูก (bone char) แอคติเว้ตเต็ดซิลิก้า (activated silica) แบบเกร็ด (GAC : Granular Activated Carbon เผา 750-950°C 3. สารอินทรีย์สังเคราะห์ activated carbon เรซิน Resin พื้นที่ผิวจำเพาะ 600-1,000 m2/g พื้นที่ผิวจำเพาะ 300-500 m2/g Chemeng, KKU, M.Thabuot

ประวัติการใช้ถ่านกัมมันต์ในระบบบำบัดน้ำ ต้นศตวรรษที่ 19 ใช้ACดูดสีน้ำตาลในอุตสาหกรรมผลิตน้ำตาล Chemeng, KKU, M.Thabuot 4

-มักใช้GACในระบบกรอง ปัจจุบัน ทำไม? -มักใช้GACในระบบกรอง house drinking water secondary treatment tertiary treatment secondary treatment tertiary treatment -มักใช้PACเติมลงในถังผสม Chemeng, KKU, M.Thabuot 5

จุดเด่นของGACและPAC GACในระบบกรอง PACในถังกวน 1. ต้องมีหรือสร้างcolumnกรอง 1. ต้องมีหรือสร้างระบบเติม และต้องมีระบบกรอง 2. มักใช้แบบถาวร 2. ใช้แบบชั่วคราวหรือถาวรก็ได้ 3. ปรับเปลี่ยนจำนวน GACได้ยาก 3. ปรับเปลี่ยนปริมาณPACได้ง่าย 4. ความเร็วในการดูดซับต่ำกว่าPAC 4. ความเร็วในการดูดซับสูง 5. รีไซเคิลได้ 5. รีไซเคิลไม่ได้ 6. ต้องกำจัดSSในน้ำก่อน 6. ไม่จำเป็นต้องกำจัดSSในน้ำก่อน 7. สำคัญที่ระยะเวลาสัมผัส 7. สำคัญที่จำนวนPAC น้ำมีความเข้มข้นกลิ่นรสจัด? น้ำมีความเข้มข้นกลิ่นรสเบาบาง? การประปาขนาดเล็ก? Chemeng, KKU, M.Thabuot 6

การใช้ GAC ในระบบกรอง 7 Fixed-bed filter system Series fixed-bed -อัตราไหลช้า ความเข้มข้นต่ำ Series fixed-bed filter system -เมื่อต้องหยุดพักถังหนึ่งเพื่อเปลี่ยนGACก็สามารถใช้อีกถังหนึ่งทำงานแทนก่อนได้ ความเข้มข้นสูง Pressurized pulsed- bed filter system -ไม่จำเป็นต้องหยุดพักเพื่อเปลี่ยนGAC อัตราไหลเร็ว ความเข้มข้นสูง Chemeng, KKU, M.Thabuot 7

ตัวอย่างระบบadsorptionโดยถ่านกัมมันต์ Chemeng, KKU, M.Thabuot

ตัวอย่างสารที่ถูกกำจัดได้โดยถ่านกัมมันต์ มีทั้งสารอินทรีย์และอนินทรีย์ Chemeng, KKU, M.Thabuot

municipal water treatment plant ใช้ series fixed-bed filter system กำจัดสารตกค้างหลังเติมโอโซน Chemeng, KKU, M.Thabuot 8

ใช้ป้องกันแบคทีเรียได้ไหม? Point of use treatment ใช้ป้องกันสารคลอรีนตกค้าง พัฒนา ใช้ป้องกันแบคทีเรียได้ไหม? Chemeng, KKU, M.Thabuot 9

สารที่ระบบPACTรับบำบัด -Priority pollutants (such as toluene, phenol, and methylene chloride) Halogenated and nonhalogenated solvent/water mixtures Organic acids Oil/water mixtures Metals Oxidizers Salts Ammonia Sulfide Methyl mercaptan/dimethyl disulfide Corrosives (acidic and alkaline) สารที่ระบบPACTรับบำบัด -TSCA-regulated (Toxic Substances Control Act) PCB waste -TSCA-regulated dioxin waste -Radioactive -Explosive -Not flowable สารที่ระบบPACTไม่รับบำบัด Chemeng, KKU, M.Thabuot

ปัญหาพบได้ของGACในระบบกรอง 3. อาจทำให้สารพิษแพร่ไปในอากาศเมื่อรีเจนเนอเรชั่นแบบเผา Chemeng, KKU, M.Thabuot 15

แบ่งลักษณะการเติมได้ 2 ลักษณะใหญ่ การใช้ PAC เติมลงในถังผสม แบ่งลักษณะการเติมได้ 2 ลักษณะใหญ่ เหตุผล ? PAC 1. เติมก่อนบ่อตกตะกอน ใช้เมื่อต้องเติม PAC จำนวนมาก PAC 2. เติมหลังบ่อตกตะกอน(ก่อนบ่อกรอง) ใช้เมื่อเติม PAC จำนวนน้อย คลอรีน บ่อตก ตะกอน ทะเลสาบ อ่างเก็บน้ำ ถังกวนเร็ว ถังสร้างตะกอน บ่อกรอง ระบบจ่ายน้ำ Chemeng, KKU, M.Thabuot 16

ตัวอย่างการบำบัดน้ำโดยวิธีadsorptionของถ่านกัมมันต์1 เป็นระบบกรองแบบอัดความดัน โดยใช้ถ่านกัมมันต์แบบผง(PAC: powder activated carbon)ประกอบกับทรายชนิดต่างๆเป็นไส้กรอง ใช้กำจัดสารประกอบคลอไรด์ หรือสารอินทรีย์อื่นๆในน้ำดีหรือน้ำเสียที่บำบัดแล้วเพื่อนำไปใช้ในกระบวนการอุตสาหกรรมต่างๆ Chemeng, KKU, M.Thabuot

ตัวอย่างการบำบัดน้ำโดยวิธีadsorptionของถ่านกัมมันต์2 PACTเป็นระบบบำบัดน้ำเสียจากอุตสาหกรรมได้เกือบทุกชนิด โดยจะเติมถ่านกัมมันต์แบบผงที่บ่อเติมอากาศซึ่งมีจุลลินทรีย์อาศัยอยู่ เป็นการใช้adsorptionและbiodegradationร่วมกัน Chemeng, KKU, M.Thabuot

แผนภาพแสดงการเติมPACในบ่อเติมอากาศของระบบบำบัดน้ำเสีย Chemeng, KKU, M.Thabuot 19

ต้องเติม alum Al2(SO4)3ปริมาณมาก ระบบศึกษาการใช้PACบำบัดน้ำเสียแห่งหนึ่ง USA. ต้องเติม alum Al2(SO4)3ปริมาณมาก มีปัญหาPAC หลงเหลือในน้ำ ใช้วิธีเติมPACก่อนกระบวนการflocculation Chemeng, KKU, M.Thabuot 17

ใช้วิธีเติมPACก่อนกรอง Pilot plant บำบัดน้ำเสียแห่งหนึ่ง USA. COD 80-100mg/L COD 15 mg/L ใช้วิธีเติมPACก่อนกรอง Chemeng, KKU, M.Thabuot 18

โรงทำน้ำประปาที่Norvatten, Sweden ใช้วิธีเติมPACก่อนกรอง Chemeng, KKU, M.Thabuot 21

โดยทั่วไปใช้อุณหภูมิ ตัวอย่างวิธีจัดการกับถ่านกัมมันต์ที่ใช้แล้ว Thermal regeneration Metso Minerals Carbon Regeneration System uses an indirect kiln to heat the activated carbon to 600C, driving off the organic contaminants. โดยทั่วไปใช้อุณหภูมิ มากกว่า800C Chemeng, KKU, M.Thabuot

Desalination The process of removing salt from salt water Flash evaporation is the most widely used method of water desalinisation The seawater is heated and then pumped into a low-pressure tank, where the water is partially vapourised The water vapour is then condensed and removed as pure water Chemeng, KKU, M.Thabuot

Desalination This process is repeated many times The remaining liquid, called brine, contains a large amount of salt and is removed. The incoming seawater is used to cool the condensers in each evaporator This design conserves energy since the heat released when the vapour condenses is used to heat the next batch of seawater Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot

Aeration Saturation of water with air, water is brought into contact with air in such a manner as to produce maximum diffusion, usually by spraying water into the air in fountains Aeration removes odours and taste caused by decomposing organic matter, and also industrial waste such as phenols and volatile gases such as chlorine Converts dissolved iron and manganese compounds into insoluble hydrated oxides of the metals which may then be readily settled out Chemeng, KKU, M.Thabuot

Spray Aeration Chemeng, KKU, M.Thabuot Radon is released from contaminated water as it is sprayed through a nozzle into a holding tank. The volatilization occurs due to the increased surface area of the droplets exiting the nozzle. An air blower carries the radon gas to a vent outside the house. With the initial spray, 50 percent of the radon is removed. As the water is sprayed multiple times, the removal efficiency is increased. A holding tank of at least 100 gallons is needed for proper operation. Depending on where the off-gas is being vented, a filter may be used to remove the radon from the air before it is released into the environment Chemeng, KKU, M.Thabuot

Packed Column Aeration Radon is removed from contaminated water as it is sprayed into the top of a column filled with packing material. The thin layer of water is exposed to air being blown from the bottom of the column which carries the radon gas out of the column to an outdoor vent. Depending on the height of the column, 90-95 percent of the radon can be removed. This treatment option is not practical if radon concentrations are higher than 20,000 pCi/L. The media may need to be cleaned or replaced periodically, because some biological growth and scaling will occur over time. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Aerated Lagoon (บ่อเติมอากาศ) เป็นระบบบำบัดน้ำเสียที่อาศัยการเติมออกซิเจนจากครื่องเติมอากาศ (Aerator) เพื่อเพิ่มออกซิเจนในน้ำให้มีปริมาณเพียงพอ สำหรับจุลินทรีย์สามารถนำไปใช้ย่อยสลายตามธรรมชาติ Chemeng, KKU, M.Thabuot

Aerated Lagoon Surface Aerator จะตีน้ำที่ระดับผิวบนให้กระจายเป็นเม็ดเล็กๆ ขึ้นมาเพื่อสัมผัสกับอากาศเพื่อรับออกซิเจนในขณะเดียวกันก็จะเป็นการกวนน้ำให้ผสมกันเพื่อกระจายออกซิเจน และมลสารในน้ำเสียให้ทั่วบ่อ Chemeng, KKU, M.Thabuot

Deaeration กาซออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำทำให้เกิดปฏิกิริยากัดกร่อนได้หลายชนิด กระบวนการนี้จึงเป็นการกำจัดออกซิเจนในน้ำป้อนเข้าหม้อไอน้ำ (boiler) ยกตัวอย่างการกัดกร่อน เช่น เหล็ก (iron) ที่อยู่ในน้ำ Chemeng, KKU, M.Thabuot

Water Softener Chemeng, KKU, M.Thabuot

Water Softener Chemeng, KKU, M.Thabuot "soft" water to deioniser brine and salt tank brine "hard" water in zeolite water softener exchanges Ca and Mg for Na drain "soft" water to deioniser by pass valve Chemeng, KKU, M.Thabuot

การแลกเปลี่ยนอิออน (Ion exchange) เป็นการบำบัดน้ำโดยการใช้สารที่มีคุณสมบัติในการแลกเปลี่ยนอิออนเช่นเรซิน แลกเปลี่ยนอิออนที่มีอยู่ในโครงสร้าง กับอิออนที่ต้องการกำจัดในน้ำเป็นต้นว่าความกระด้าง โลหะ หรือแร่ธาตุต่างๆ เมื่อเรซินแลกเปลี่ยนอิออนจนหมดก็ต้องทำการรีเจนเนอเรชั่นเพื่อฟื้นฟูประสิทธิภาพของเรซินแล้วนำกลับมาใช้ใหม่ Chemeng, KKU, M.Thabuot

(Ca, Na)2 - 3Al3(Al, Si)2Si13O36 - 12H2O สารที่มีคุณสมบัติแลกเปลี่ยนอิออน 1. ซีโอไลต์ (zeolite) เป็นชื่อเรียกกลุ่มของสารประกอบhydrated aluminum silicates ที่เกิดจากการเกาะกันของ SiO4 และ AlO4 และ (Si + Al)/O = ½ มีโครงสร้างเป็นผลึกที่มีประจุลบอยู่ที่บริเวณผิว มักพบในรูปที่มี Na+ เกาะอยู่ ซึ่งNa+ นี้สามารถจะแลกตัวกับไอออนบวกที่อยู่ในน้ำหลายชนิดให้มาเกาะกับซีโอไลต์แทนได้ มีทั้งแบบที่มีอยู่ตามธรรมชาติเช่นกรีนแซนด์ และแบบสังเคราะห์ + Ca2+ Na+ NaCa2Al5Si13O36 -14H2O Na2Al2Si3O10-2H2O (Ca, Na)2 - 3Al3(Al, Si)2Si13O36 - 12H2O Ca2+ + 2Na+ Chemeng, KKU, M.Thabuot

2. เรซินแลกเปลี่ยนไอออน (resinous ion exchanger) เป็นสารอินทรีย์โพลิเมอร์ ที่พัฒนาให้มีอำนาจในการแลกเปลี่ยนไอออนสูงกว่าzeolite โดยจะมีโครงสร้างแบ่งเป็น2ส่วน คือส่วนที่ไม่มีประจุ กับหมู่ไอออนที่มีประจุไฟฟ้า (functional group) Chemeng, KKU, M.Thabuot

ชนิดของเรซิน เรซินแบบกรด เรซินแบบด่าง ใช้ไอออนบวกของตัวเอง แลกกับไอออนบวกที่ต้องการกำจัดออกจากน้ำ เรซินแบบด่าง ใช้ไอออนลบของตัวเอง แลกกับไอออนลบที่ต้องการกำจัดออกจากน้ำ + SO42- OH- + Ca2+ H+ SO42- + 2OH- Ca2+ + 2H+ ค่าคงที่ของการแตกตัว Kb Ka Chemeng, KKU, M.Thabuot

Sodium-cation-exchange resins Chemeng, KKU, M.Thabuot

Regeneration of Sodium-cation-exchange resins Chemeng, KKU, M.Thabuot

Hydrogen-cation-exchange Resins Chemeng, KKU, M.Thabuot

Hydrogen-cation-exchange Resins ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างเรดิคัลของเรซินกับซัลเฟต (sulfate) และ คลอไรด์ (chloride) เป็นดังนี้ Chemeng, KKU, M.Thabuot

Regeneration of Hydrogen-cation-exchange Resins สำหรับการฟื้นฟูสภาพของเรซิน (regeneration) จะใช้กรดซัลฟุริค (sulfuric acid) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเห็นดังนี้ Chemeng, KKU, M.Thabuot

สารกรองแบบแลกเปลี่ยนประจุลบ (anion exchangers) ให้ R4N แทนเรดิคัลของสารกรองแบบแลกเปลี่ยนประจุลบ ปฏิกิริยาในการกำจัดอิออนของกรดแก่ในน้ำเกิดขึ้นดังนี้ Chemeng, KKU, M.Thabuot

Regeneration of Anion Exchangers Resins เรซินแลกเปลี่ยนประจุลบชนิดด่างแก่ (highly basic anion exchanger) จะถูกฟื้นฟูสภาพด้วยโซดาไฟ (caustic soda) ปฏิกิริยาเป็นดังนี้ สำหรับเรซินแลกเปลี่ยนประจุลบชนิดด่างอ่อน (weakly basic anion exchanger) จะถูกฟื้นฟูสภาพด้วยโซดาไฟ (caustic soda) โซดาแอช (soda ash) หรือแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ (ammonium hydroxide) Chemeng, KKU, M.Thabuot

Lime-Soda Process น้ำที่ผ่านการแลกเปลี่ยนอิออนแล้วจะมีความกระด้างในรูปของหินปูน (calcium carbonate) น้อยกว่า 1ppm ในกรณีที่มีน้ำมีความกระด้างของไบคาร์บอเนตมากนั้น น้ำจะถูกบำบัดด้วยกระบวนการ lime process ก่อนการแลกเปลี่ยนอิออน ซึ่งกระบวนการนี้เป็นการลดปริมาณของแข็งที่ละลายอยู่ (dissolved solids) ด้วยการตกตะกอน ในรูปของ calcium carbonate และ magnesium hydroxide จากน้ำ ในขณะที่สารกรองเรซินแบบประจุบวกจะมีการแลกเปลี่ยนอิออนโซเดียมกับแคลเซียมและแมกนีเซียม Chemeng, KKU, M.Thabuot

Lime-Soda Process สำหรับเกลือคาร์บอเนต (For Carbonate Hardness) เนื่องจาก MgCO3 ละลายน้ำ จึงเติม lime ลงไปอีก ทำให้เกิด Chemeng, KKU, M.Thabuot

Lime-Soda Process เนื่องจาก MgCO3 ละลายน้ำ จึงเติม lime ลงไปอีกทำให้เกิด Chemeng, KKU, M.Thabuot

Lime-Soda Process สำหรับเกลือของแมกนีเซียมและแคลเซียมที่ไม่ใช่คาร์บอเนต (For Noncarbonate Soluble and Magnesium Salts) Chemeng, KKU, M.Thabuot

ตัวอย่างระบบแลกเปลี่ยนอิออน เรซิน ใยแก้ว น้ำออก น้ำเข้า Chemeng, KKU, M.Thabuot

วิธีจัดการกับเรซินที่ใช้แล้ว หากเรซินยังไม่หมดอายุขัย จะใช้สารเคมีล้างอิออนที่เกาะติดกับเรซินออกเพื่อออกนำเรซินกลับไปใช้ใหม่ กรณีที่เป็นเรซินแบบกรดมักใช้กรดแก่ล้างออก ส่วนกรณีที่เป็นเรซินแบบด่างมักใช้ด่างแก่ล้างออก Chemeng, KKU, M.Thabuot

Resin Regeneration Steps The service cycle of water softener The backwash cycle of water softener Chemeng, KKU, M.Thabuot

Resin Regeneration Steps The brine draw cycle of water softener The slow rinse cycle of water softener Chemeng, KKU, M.Thabuot

Resin Regeneration Steps The refill cycle The fast rinse cycle Chemeng, KKU, M.Thabuot

ตัวอย่างการบำบัดน้ำเสียโดยวิธีion exchangeของเรซิน1 Copper, Nickel and Lead Gold, Rhodium and Palladium ใช้ เรซินแบบกรดหรือด่างในการแยก? ใช้เรซินแบบกรดในการแยก โลหะที่ติดอยู่ในเรซินสามารถล้างออกแล้วนำกลับไปใช้ประโยชน์ได้ เรซินของบริษัทนี้มีอายุการใช้งาน2-4ปี Chemeng, KKU, M.Thabuot

ตัวอย่างการบำบัดน้ำเสียโดยวิธีion exchangeของเรซิน2 ใช้เรซินทั้งแบบกรดและแบบด่างผลิตน้ำdeionized waterโดย ระบบที่เห็นในภาพ ใช้เรซินแบบที่เรียกว่าSeparate Bed DI Systems คือแยกเรซินแบบกรดกับแบบด่างไว้คนละถัง Separate Bed DI Systems Chemeng, KKU, M.Thabuot

ทำไมต้องใช้ที่มีความหนาแน่นต่างกัน? ใช้เรซินทั้งแบบกรดและแบบด่างผลิตน้ำdeionized waterเช่นกัน โดยระบบที่เห็นในภาพ ใช้เรซินแบบที่เรียกว่าMixed-Bed DI Systems คือเอาเรซินแบบกรดกับแบบด่างใส่ไว้ในถังเดียวกันโดยเกลี่ยผสมกันให้ทั่วไม่ให้แยกชั้น ในกรณีนี้มักจะใช้เรซินสองแบบที่มีความหนาแน่นต่างกัน Mixed-Bed DI Systems ทำไมต้องใช้ที่มีความหนาแน่นต่างกัน? Chemeng, KKU, M.Thabuot

เฉลย ที่ต้องใช้เรซินสองแบบที่มีความหนาแน่นต่างกัน เพราะมิฉะนั้นจะregenerateเรซินที่ใช้แล้วไม่ได้ Chemeng, KKU, M.Thabuot

จะฉีดน้ำล้างเรซินทิศไหน? เพราะอะไร? ตัวอย่างการบำบัดน้ำเสียโดยวิธีion exchangeของเรซิน3 แต่ละถังกรอง มีระบบล้างเรซินแยกต่างหาก ใช้กำจัดอิออนต่างๆในน้ำเสียจากขบวนการผลิตอุตสาหกรรม เพื่อผลิต deionized water สำหรับนำกลับไปใช้ใหม่ในกระบวนการเดิม น้ำเข้า จะฉีดน้ำล้างเรซินทิศไหน? เพราะอะไร? Chemeng, KKU, M.Thabuot

Introduction to Drinking Water   CHEMICAL ENGINEERING KHONKAEN UNIVERSIT Y  The purpose of this presentation is to give the viewer a basic understanding of the operations of a conventional water treatment plant.   Chemeng, KKU, M.Thabuot

Water Treatment Purpose: Simple: disinfection raw water drinking water Simple: disinfection Complex: granular activated carbon (organics) or ion-exchange (inorganics) PURPOSE: Source water from well or river or lake and make it DW quality Simple: A well – add chlorine to ensure no contam within system Complex: organic or inorganic contaminants that need special attn. Normal = Somewhere between simple and complex! States or municipalities or health districts should perform an assessment of the source water including a map of where it comes from (delineation), a map of near by possible pollution sources (sources of contamination), and a review of the chance for contamination (susceptibility).  

Substances in Water Suspended – filter, settle Colloidal Dissolved – precipitation, adsorption 1. Suspended – large enuf to settle out of solution Can be as small as .1 – 1.0 um (like bacteria) Maybe filter out or use sedimentation 2. Colloidal – Between suspended and dissolved Solids Maybe can filter Generally can measure with Turbidity Dissolved – truly in solution; could be atoms or complex molecular compounds Have to change the phase as they are in one phase with the liquid Use precipitation (combine with another chemical to make a solid phase so you can remove it), adsorption (react it with some solid particle so it complexes onto it) or distillation (make into gas!!) Chemeng, KKU, M.Thabuot

Treatment Objectives Suspended solids Color Taste & odor Pathogens Meet SDWA standards There are many forms of treatment technology, both new and old, that utilities use to treat water. Many are the same technologies that bottled water companies use for their products. Each contaminant, when regulated, has a Best Available Technology or BAT, determined for its removal, when necessary. The quality of the source water dictates what form of treatment, if any, is required. The types of BATs used for different contaminants are listed below. Contaminants that may be present include:  Microbial contaminants such as bacteria, viruses, and protozoa are very small living creatures that may be natural and harmless, or harmful if originating from septic systems, agricultural livestock operations or wildlife.  Inorganic contaminants such as heavy metals, can be naturally-occurring or result from urban storm water runoff, industrial or domestic wastewater discharges.  Pesticides and herbicides may come from agriculture and residential uses.  Radioactive contaminants are naturally occurring.  Organic chemical contaminants are usually man-made (synthetic) and vaporize easily (volatile). Petroleum products and degreasers are examples of gas station and dry cleaner waste transported by storm water and sewers.   Chemeng, KKU, M.Thabuot

Groundwater Treatment Pump Disinfection Fluoridation Storage and Distribution Chemeng, KKU, M.Thabuot

Are Wells Protected? wells and pumps are housed in heated and security alarmed buildings with concrete floors  well houses are built to ensure that surface runoff or snow melt will not influence or contaminate the wells.  Source protection is the primary barrier, the first line of defense against contamination of your drinking water.  A contaminant that does not get into the water source does not need to be removed. Sources of drinking water, both tap water and bottle water originate as surface water from rivers and lakes or as ground water from springs and wells. As water travels over the surface of land or through the ground, it dissolves naturally-occurring minerals and, in some cases, radioactive material. Water picks up wastes from both human and animal activities. Surface water must be carefully filtered and disinfected to remove bacteria, viruses, and protozoa. Ground water is usually filtered naturally. To protect your drinking water source, the wells and pumps are housed in heated and security alarmed buildings with concrete floors.  The well houses are built on elevated gravel pads that slope away from the buildings and the wells to ensure that surface runoff or even snow melt will not influence or contaminate the wells.  Chemeng, KKU, M.Thabuot

Surface Water Treatment Screening Coagulation Flocculation Sedimentation Filtration Disinfection Storage and Distribution Chemeng, KKU, M.Thabuot

Conventional Treatment Plant Layout                                                                                                                                                                                              Treatment Plant Layout The purpose of chemical treatment is to condition, modify or remove any undesirable substances to obtain a water which is safe and acceptable to drink. Removing undesirable impurities from the water requires several different treatment processes, coagulation, flocculation, sedimentation, filtration and disinfection. Normal = Somewhere between simple and complex! Screening Removes trash, leaves, fish, etc. at the water source Direct Filtration – just skip the coagulation, flocculation and sedimentation Used when surface water has low Suspended Solids concentration. Advantages: Costs less to design & build than Conventional Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot Water from Lake Ontario chemical mixing – rapid mix coagulation Flocculation Settled solids (sedimentation) Filtration Chlorination and fluorination Pretty “conventional” The purpose of chemical treatment is to condition, modify or remove any undesirable substances to obtain a water which is safe and acceptable to drink. Removing undesirable impurities from the water requires several different treatment processes, coagulation, flocculation, sedimentation, filtration and disinfection. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Coagulation - Mixing At the plant, the water goes through 12 foot deep flash mixers where alum and polymer are added to it.  The water is mixed with polymer and alum (aluminum sulfate).   Rapid and thorough mixing is necessary to begin the process of binding together the contaminants so that these particles become larger in size, body and weight, which in turn will allow them to become heavier so that they will sink and settle out of the water. These larger particles are called Floc.  Coagulation: Coagulants may be defined as those substances which are capable of removing colloidal impurities from water, and coagulation is the process by which such removal is brought about. A coagulant such as aluminum sulfate, which has a positive electrical charge, is thoroughly mixed the raw water containing negative charged colloidal particles, silt and undesirable minerals. Most methods of chemical treatment rely on the theory of the solubility of salts in water to remove undesirable minerals in the water. A salt is formed any time a metal combines with a non metal. Some salts dissolve very readily in water while others may not dissolve at all. Those that do not dissolve are known as insoluble salts. For instance, aluminum sulfate will dissolve in water but when it reacts with the calcium hydroxide in the water, aluminum hydroxide is formed which is insoluble and can be removed by sedimentation or filtration. It is possible to write equations for the chemical reactions which take place when aluminum sulfate is added to water containing natural alkalinity or added alkalinity in the form of lime or soda ash. These are shown below: 1. Al2(So4)3 + 3 Ca(HCO3)2 = 2 Al (OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 2. Al2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 = 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 3. Al2(S04)3 + 3 Na2C03 + 6 H20 = 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4 + 3 CO2 History (excerpts from The Chemistry Of Water Treatment by A. P. Black ) As we look back over what has taken place during the past seventy-five years, it seems rather clear that the development of coagulation as an art was greatly influenced by the development of slow sand filters, the first of which was constructed in 1829 by James Simpson of the Chelsea Water Company, London. Its effectiveness for the purification of water is too well known to require discussion here. It was early noted that its efficiency was greatly improved after the formation on the surface of the sand of a slimy gelatinous coating which was and still is termed "Schmutzdecke." There seems little doubt but that when early American workers began their development of the rapid sand filter it was their desire to duplicate by chemical means this slimy coating or schmutzdecke on the sand. Since a chemical was to be used, however, it had to possess certain qualifications. It must, first of all, be gelatinous in nature so as to resemble as nearly as possible the organic growths on the older slow sand filters. Furthermore, it must be non-toxic, it must be relatively inexpensive, and it must be capable of reacting either with water itself or with substances naturally present in water or which might be added to water so as to produce the necessary gelatinous precipitate. As we all know, aluminum sulfate or a filter alum was selected for study. Although many years have passed since alum was first used for this purpose, it is probably true to say that it is still the most widely used of all coagulants in water treatment. The remarkable properties of filter alum as a coagulant are not due to its gelatinous nature but to entirely different properties unknown to the earlier workers. It is one of the most remarkable coincidences in contemporary science that after the real mechanism of coagulation became known, filter alum still remained the most widely used of its class. From fairbanks – after oxidation As the aerated water leaves the first step of the process, an Anionic Polymer is fed into the header supplying the 2 filter trains.  Rapid and thorough mixing of the polymer is necessary to begin the process of binding together the oxidized particles of Fe (Iron) and Mn (Manganese).  It is in this stage of the process that causes these particles to become larger in size, body and weight, which in turn will allow them to become heavier so that they will sink and settle out of the water.  Chemeng, KKU, M.Thabuot

Coagulation - Mixing Al2(S04)3 + 3 Ca(HCO3)2 = 2 Al (OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 For instance, aluminum sulfate will dissolve in water but when it reacts with the calcium hydroxide in the water, aluminum hydroxide is formed which is insoluble and can be removed by sedimentation or filtration. It is possible to write equations for the chemical reactions which take place when aluminum sulfate is added to water containing natural alkalinity or added alkalinity in the form of lime or soda ash. These are shown below: 1. Al2(So4)3 + 3 Ca(HCO3)2 = 2 Al (OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 2. Al2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 = 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 3. Al2(S04)3 + 3 Na2C03 + 6 H20 = 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4 + 3 CO2 Chemeng, KKU, M.Thabuot

FLOCCULATION These clumping agents make dirt and bacteria in the water stick together to form lumps of material called floc.    Flocculation: gently mix water and coagulant, allow formation of large particles of floc Flocculation: The flocculation process directly follows the coagulation process. The velocity of the water is reduced and a gentle mixing action is applied to allow the formation of insoluble salts, colloidal particles and other suspended matter into a "floc"particle. The negative charged colloids and the positive charged coagulants begin colliding and attracting each other forming a large neutral floc particle that will settle out during the sedimentation process. These larger particles are called Floc.  The water now enters FLOCCULATION In this step of the treatment process the oxidized raw water is slowly stirred. The stirring process causes the newly formed “floc” to bump into other small pieces of “floc” and they cling to one another.  The floc is formed due to the negative and positive charges that the KMn04 and Polymer have created while reacting with the Iron and Manganese.  The floc has essentially become like little magnets that attract and cling to one another.  The flocculation basin has two stages.  Even though the stirring action is gentle, the first stage is referred to as the rapid mix zone and the second stage is called the slow mix zone.  The stirring paddles rotate at 4 rpm’s.  The rapid mix zone of the flocculation basin has 5 flights or rows of paddles and the slow mix zone in the second basin has only 4 flights or paddles.  By the end of the second stage of the stirring process the water has formed many little tan colored floc particles which are suspended in the water.  Now we want to allow the floc to settle out of the water.  This takes place in the next step of the treatment process, Chemeng, KKU, M.Thabuot

SEDIMENTATION Floc will settle at the bottom of the sedimen-tation basin or clarifier.  The many small pieces of floc join together in a snowball effect. Sedimentation: Sedimentation is the process of slowing the water to a velocity of 0.01 to 0.03 feet per second to allow the floc to settle to the bottom of the tank. Sedimentation basins or clarifiers are usually the largest tanks in the treatment process. Approximately one pound of sludge will be created for every pound of chemical added to the water. The water flow is directed to enter the bottom of this basin.  By the time the processed water reaches this step, the particles of floc have gained enough size and weight that they will settle out of the water and fall to the bottom of the basin.  To improve the efficiency of the settling basin, tube settlers are placed horizontally in the sedimentation basin.  The tube settlers are bundles of long, plastic, hex shaped tubes; in fact, the tubes resemble a very large sized honeycomb.  The size of the hex shaped tubes is about 2 inches across.  The tubes are submerged in the sedimentation basin and are placed at a 5 degree horizontal angle.  The vertical distance from the top of this basin to the bottom of the tube settlers is about seven feet.  These tubes force the water entering the bottom of the basin to now travel in an almost horizontal direction.  Because the water flow has been changed to a more horizontal movement, and is traveling at a slower speed, gravity exerts its force on any floc particles that are still floating along in the water.  These particles of floc are forced to settle on the lower surface of the tubes.  As the floc gathers, soon the many small pieces of floc join together and then we have the snowball effect take place.  Because of the slight angle of the tube, the large pieces of floc begin to slowly roll back out of the tube picking up more small pieces of floc as it slowly moves along, and then the floc particle slowly drifts down to the bottom of the sedimentation basin.   This process is literally causing the Iron and Manganese to fall out of the water.  The flow of water however, continues forward and finally overflows into a trough at the top of the sedimentation chamber.  The water is now directed to the final stage of the treatment process,  FILTRATION Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot Sedimentation: Sedimentation is the process of slowing the water to a velocity of 0.01 to 0.03 feet per second to allow the floc to settle to the bottom of the tank. Sedimentation basins or clarifiers are usually the largest tanks in the treatment process. Chemeng, KKU, M.Thabuot

FILTRATION The processed water enters the top of the multi-media filters. Media in the filters typically consist of an granular anthracite coal, silica sand and layers of different grades of gravel. From here the water enters a reservoir.  Remaining dirt particles are filtered out of the water by passing it through coal, sand, and gravel filters.  FILTRATION The processed water enters the top of the multi-media filters from a distribution trough or weir.  The media in the filters consist of an upper 18 inch layer of granular anthracite coal.  This is a very pure and high quality form of coal, not to be confused with charcoal.  The next layer in the filter is 18 inches of silica sand.  The next three layers of media consist of different grades of gravel. The average size of the stones of the gravel in the first layer is 3/4” and is about 6 inches deep.  The next grade of gravel has an average gravel size of 1” and is about 6 inches deep.  The final grade of gravel has an average stone size of 1-1/2 inches and is about 6 inches deep.  The filters have 5 layers of media, thus the name, multi-media filters.  From here the water is drawn through the under drain platform and pumped to the 1.5 million gallon, above ground, reservoir.  The addition of polyphosphate/zinc is added just before the water enters the reservoir at a dosage of 0.2 mg/l for corrosion protection in the distribution system. As the water filters down through the media, any small amounts of iron or manganese that were able to get through the first steps of the process are now caught on the coal, silica sand and gravel.  The filter slowly begins to plug up and we measure this   as headloss across the filter.  We have found that not allowing our filters to plug up beyond a head loss of 6 feet produces the best quality of water. If the filter headloss goes higher than 6 feet, breakthrough can occur.  Breakthrough is when the debris caught on the filter is forced down deep into the filter and actually gets through the filter and then can enter into the reservoir, which would result in contaminating the finished water!  This is something we do not want to happen, so, as the filter approaches 6 feet of headloss, the headloss indicator instrument causes the filter to go into an automatic backwash cycle. Chemeng, KKU, M.Thabuot

DISINFECTION Chlorine is added to kill any bacteria that remain and make sure the water stays uncontaminated during distribution to the tap. Reservoirs may be throughout the service area to make sure there is always enough water at peak demand times. The water in the reservoir is not chlorinated or disinfected, therefore it is not referred to as finished water.  The drinking water is disinfected as it is pumped from the reservoir into the water mains feeding the campus.  The UAF uses a Mixed Oxidant (MIOX) form of disinfection. A residual of 0.20 to 0.35 mg/l of free chlorine is maintained in the distribution system on campus.  The MIOX solution provides disinfection power similar to chlorine dioxide, but will leave a free chlorine residual in treated water. MIOX-treated water has been shown in laboratory and pilot tests to kill or inactivate 3 logs of parasitic protozoan cysts such as Giardia and crytptosporidia in 4 hours at a 5-ppm dose.  Chlorine cannot inactivate these harmful cysts.  MIOX-treated water does not impart a chlorine odor or taste to water until the residual exceeds 3 or 4 ppm.  The UAF has been successfully using MIOX for the past 3 years to disinfect your drinking water.  Prior to MIOX, the UAF used chlorine gas to disinfect the drinking water. (Please see the articles entitled “MIOX Safety Advantages” and  ”The Science of Mixed Oxidants” for more information about MIOX) Total Coliform: coliform are bacteria that are naturally present in the environment and are used as an indicator that other potentially-harmful bacteria may be present . Coliform bacteria found in two or more samples is a warning of potential problems and usually triggers a precautionary boil notice. Chemeng, KKU, M.Thabuot

DISINFECTION Chemistry Cl2 + H2O = HOCl + H+ + Cl- HOCl = H+ + OCl- Formation of chloramines: HOCl + NH3= H2O + NH2 Cl HOCl + NH2Cl = H2O + NHCl2 HOCl + NHCl2 = H2O + NCl3 Chlorine gas is soluble in water and hydrolyzes rapuidly to form hypochlorous acid HOCl ( hypochlorous acid) ionizes The HOCl ionizes to make hypochlorite ion The HOCl reacts with ammonia in water to make monochloroamine, dichloramine and trichloramine (depends on amt of ammonia, pH and temp) Chemeng, KKU, M.Thabuot

Fluoride may be added Testing & Monitoring Chemeng, KKU, M.Thabuot (fluoride to help keep your teeth healthy and cavity-free.)  Reservoirs may be throughout the service area to make sure there is always enough water at peak demand times (times when everyone is using water at once!). A total of 130 million gallons is stored. Technicians test the water regularly to make sure it is always clean and pure when it gets to you for washing, cooking, and drinking.  WATER QUALITY SAMPLING Our constant goal is to provide for you a safe and dependable supply of drinking water of sufficient quantity and high quality.  Your drinking water at UAF is regularly and routinely monitored for various contaminants to be sure that the water meets all the Federal and State laws and regulations.  We want you to understand that we are continually making improvements in the water treatment process in order to accomplish this task.  One of the regular samples taken every week to insure the water is free of bacterial contamination is the Total Coliform sample.  Coliforms are bacteria that are naturally present in the environment and are used as an indicator that other, potentially harmful, bacteria are present.  Coliforms are usually harmless, but their presence in water can be an indication of disease-causing bacteria.  When coliform bacteria are found, special follow-up tests are done to determine if harmful bacteria are present in the water supply.  If this limit is exceeded, we must notify you, the consumer, by newspaper, television or radio.  The coliform samples are taken from different faucets and drinking fountains all over campus using an established written schedule.  We collect 6 samples a month, generally 2 samples each week.  The samples are then taken immediately to an independent State certified laboratory,  Northern Testing Laboratories, for analysis.  We have the results 24 hours later. Besides the Total Coliform samples, UAF water is also sampled for other contaminants such as Arsenic, Benzene, Trihalomethanes, Nitrate, Selenium, Cyanide, Lead and Copper to name but just a few.  Chemeng, KKU, M.Thabuot

Other Treatment Options Aeration Packed Tower Aeration Lime Soda Softening Ion Exchange (Zeolite) Reverse Osmosis Chemeng, KKU, M.Thabuot

Aeration/Oxidation for Fe & Mn That was a surface water system – pretty typical Let’s go back to wells for a minute. You could have coag, floocc, sed, disinfection PRECEDED by aeration for GW high in Iron and manganese Like in Moscow! Fe > 0.3 mg/l and Manganese >0.05 ,mg/l stain fixtures and clothes Foul tastes and odors from bacteria Filamentous iron bacteria cause pipe incrustations The raw water enters into the aeration basin similar to a “mouse maze”.  This allows the water to have the fullest contact with the diffused air being supplied to the basin. The air provides the oxidation of the heavy metals such as iron and manganese. The raw water being treated has 15-17 mg/l total Fe (iron) and 0.6 mg/l Mn (Manganese).  Due to the high iron content in the raw water, we also have a problem with a naturally occurring nuisance Iron bacterium named Crenothrix. (Kren-o-thrix) These iron bacteria  tend  to cling to the air supply headers, baffles, and diffusers.  Homeowners in the Fairbanks area who are using well water see this bacteria as the brownish red slime that accumulates inside their water closet on the back of the toilet.  The Aeration process also removes Hydrogen Sulfide (H2S) and Benzene. Now we enter the second step of treatment, rapid mix – COAGULATION…. The raw water enters into the aeration basin.   The design of the aeration contact chamber is similar to that of a “mouse maze”.  This allows the water to have the fullest contact with the diffused air being supplied to the basin. The water travels through two basins containing 49-8 inch Ramco turbine air diffusers.  The air supplied for the diffusers comes from a 1000-cfm rotary lobe roots blower.  The air provides the oxidation of the heavy metals such as iron and manganese. The raw water being treated has 15-17 mg/l total Fe (iron) and 0.6 mg/l Mn (Manganese).  Due to the high iron content in the raw water, we also have a problem with a naturally occurring nuisance Iron bacterium named Crenothrix. (Kren-o-thrix) These iron bacteria  tend  to cling to the air supply headers, baffles, and diffusers.  Homeowners in the Fairbanks area who are using well water see this bacteria as the brownish red slime that accumulates inside their water closet on the back of the toilet.  Because Crenothrix accumulate on the walls and equipment in the aeration chamber, a regular program of preventative maintenance is adhered to and we have to shut down the water plant and drain the aeration basin.  This unpleasant chore entails hand scrubbing and hosing down every diffuser and wall in the aeration chamber.  Along with mechanical aeration Potassium Permanganate (KMn04) is added at the headwork's of the aeration chamber at a dosage of 2.6 mg/l to speed up and complete the oxidizing process. The Aeration process also removes Hydrogen Sulfide (H2S) and Benzene. Now we enter the second step of treatment, Chemeng, KKU, M.Thabuot

Packed Aeration Tower (Stripping) Remove dilute conc. (<100 mg/l) of volatile solvents (TCE, benzene) Based on Henry’s Constant Chemical’s distribution between air and water at equilibrium H = (conc. in air)/(conc. In water) If H > 0.1 atm/M, air stripping can be accomplished Chemeng, KKU, M.Thabuot

Chemeng, KKU, M.Thabuot Counter current flow Liquid (contam water) goes in the top and air goes in the bottom. Then the liquid comes out the bottom (clean) and the contaminated air goes out the top (could trap the contam in a carbon filter) before airborne release. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Lime Soda Softening Use lime Ca(OH)2 (calcium hydroxide) and soda ash Na2CO3 (sodium carbonate) to precipitate hardness from solution CO2 and carbonate hardness (Ca(HCO3)2 and Mg(HCO3)2 are removed with lime Noncarbonate hardness (CaSO4, or MgSO4) are removed with soda ash. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Lime Soda Softening Can precede mixing, flocculation sedimentation Need to calculate doses needed to remove hardness Based on 2 reactions: Ca+2 + CO3-2 = CaCO3 (s) Mg-2 + 2OH- = Mg(OH)2(s) Use lime and soda ash to precipitate hardness from solution Carbon Dioxide and carbonate hardness (Ca and Mg bicarbonate) are precipitated by lime Non carbonate hardness (Ca and Mg sulfates or chlorides) require soda ash for ppt. Want to form these 2 precipitates To get the CaCO3 – you need to raise the pH to about 10.3 To ppt the magnesium, you have to get the pH to about 11 If you have “noncarbonate hardness that means you don’t have enuf CO3 –2 to start with to get the Ca out, you may need to add bicarbonate alkalinity HO3 –1; more expensive; this means you add LIME as quicklime Calcium Oxide CaO or Ca (OH)2 hydrated lime; really Ca hydroxides Mg is more expensive to remove so leave as much as you can Soda Ash is Sodium carbonate Na2CO3 added to supply carbonate ions Chemeng, KKU, M.Thabuot

Ion Exchange Remove some ions from water in exchange for others Occurs on surface of certain solids, e.g., zeolites (natural clay minerals) or synthetic resins Used for softening in small communities and houses (instead of chem. precipitation) Example: 2= SO3Na + Ca +2 = (SO3)2Ca + 2 Na+ Hopefully remove bad ions in exchange for good ones !!! Zeolite – hydrous siliocate Resins = polystyrene polymers – add surface molecules to enchance ion exchange Chemically and physically stable Reversible (reusable), Durable Costs more than lime – soda Example: let the 3 bar thing be a sulfonate charged with sodium (strong acid) on the active exchange surface, then the 2 sodium ions are exchanged for one calcium which is bound in the reaction   Cation is an ion with a positive charge. Common cations include Ca++, Mg++, Fe++, and H+. A cation resin is one that exchanges positive ions. The 3 bar S)3 is a sulfonate group attacjed to the resin surface Also used for w treatment and to provide “clean “ ion-free water for industrial uses … (remove cadmium, radium, cyanide) Backwash with a salt to regenerate resin, remove the Ca as CaCl2 Ion Exchange Summary Demineralization is defined as the process whereby impurities present in the incoming fluid (water) are removed by exchanging impure ions with H+ and OR ions resulting in the formation of pure water. •           Ion exchange is a process used extensively in nuclear facilities to control the purity and pH of water by removing undesirable ions and replacing them with acceptable ones. Mixed-bed demineralizer is a vessel containing resin that is a uniform mixture of cation and anion resins in a specific volume ratio depending on their specific gravities. Normally the ratio is 2 parts cation resin to 3 parts anion resin. •           Cation is an ion with a positive charge. Common cations include Ca++, Mg++, Fe++, and H+. A cation resin is one that exchanges positive ions. •           Anion is an ion with a negative charge. Common anions include Cl -1, SO4 -2, and OH-. An anion resin is one that exchanges negative ions. Decontamination factor (DF) is a ratio of the concentration (or activity) of the fluid at the inlet compared to the concentration (or activity) at the effluent, which defines the effectiveness of the ion exchange process. Matnematically it is DF = influent conc, conductivitity or radioactivity / effluent conc, cond or rad. Polymers are extremely large molecules that are formed by the combination of many molecules of one or two compounds in a repeating structure that produces long chains. •           Affinity is often used to describe the attraction between a resin and a given ion. This affinity can be described quantitatively by experimental determination of a parameter called the relative affinity coefficient. Resin beads are long-chain cross-linked polymers that contain sites occupied by exchangeable ions. The general order of affinity serves as a useful guide in understanding many ion exchange processes. Cation and anion resins are named according to the identity of the ion occupying the exchange sites, such as hydrogen, hydroxyl, and chloride. Mixed-bed resins are used to remove both cations and anions. The effectiveness of any ion exchanger is directly related to the relative affinities between a resin and different ions. In order of decreasing strength, the relative affinities between a cation resin and various cations are: Ba +2 > Sr +2 > Ca +2 > Co +2 > Ni +2 > Cu +2 > Mg +2 > Be +2 Ag +2>Cs+>Rb+>K+`=NH+>Na+<H=<Li+                                                                                                          Similarly, the relative affinities of the anion resin for various anions are: SO4-2 > I->NO3->Br->HSO3->Cl->OH->HCO3->F-                                                                                                                    The higher the relative affinity the more effective the ion exchanger. This effectiveness is expressed by the Decontamination Factor. The reaction for removal of NaCl and CaS04 by a mixed-bed ion exchanger such as one containing HOH resin is as follows:                                                                                                                                                                    Chemeng, KKU, M.Thabuot

Normal Osmosis Reverse Osmosis membrane Salt water Pure water piston Normal osmosis: spontaneous transport from dilute solution to conc. solution across a membrane that allows the solvent to flow but stops the solute. At equilibrium there would be an osmotic pressure developed; you could reverse this by applying pressure above the osmotic pressure and force the reverse to happen Saline to fresh water force water thru filter; the selective membrane retains the dissolved ions and lets only water go thru Name is because the flow of water under driving forces is REVERSE or OPPOSITE direction from that normally observed in osmosis. Depends on suitable membranes! Chemeng, KKU, M.Thabuot

Water Treatment Rapid Mix Source Water Rapid Mix Add Chlorine and Alum The next few slides show you the way that a water treatment plant operates. Each of the major techniques used is called a unit process. This first slide shows the source water coming into the drinking water plant, and some combination of chlorine and alum being added. This is done a little differently in each particular water treatment plant. Once the chemicals are added, the source water is mixed vigorously in a unit process called the rapid mix. This ensures that the chemicals are well disbursed in the water. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Water Treatment Flocculation Source Water Rapid Mix Flocculator Add Chlorine and Alum Once the chemicals are well mixed in, the water leaves the rapid mix unit process and goes into the next unit process, the flocculator. The purpose of the flocculator is to slowly mix the water and its particles so that the particles have an opportunity to bump into one another and stick together. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Water Treatment - Sedimentation Source Water Rapid Mix Add Chlorine and Alum Flocculator Sedimentation Once the particles have the opportunity to stick together, the water leaves the flocculator and goes into a unit process called sedimentation. The sedimentation unit process gives the water a lower-energy environment in which the floc can settle to the bottom of the sedimentation unit process, removing it from the drinking water. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Water Treatment - Filtration Source Water Rapid Mix Add Chlorine and Alum Flocculator Sedimentation Once the water leaves the sedimentation unit process, it moves on to the filtration unit process. The filters in drinking water plants are usually made up of two or three layers of sand and/or gravel which are used to remove any particles that did not settle out in sedimentation. The filtration unit process removes many particles by physically allowing the water to move through the sand while preventing the particles from moving with the water. In some plants, the sand filter is followed by a granular activated carbon filter shown on this figure as GAC. The GAC further removes particles but is most important for removing dissolved chemicals, which are still located in the water and not removed by any of the previous unit processes. Many conventional treatment plants do not use GAC. GAC Chemeng, KKU, M.Thabuot

Water Treatment - Clearwell Source Water Rapid Mix Add Chlorine and Alum Flocculator Sedimentation GAC Chlorine & Floride Once the water passes through the filter and/or GAC, it goes into a unit process called the clearwell where additional chemicals are added in preparation for the water going out into the distribution systems to people’s homes. The chlorine additions shown here inactivate potentially harmful biological species normally found in many source waters. Out to Homes Clearwell Chemeng, KKU, M.Thabuot

Distribution System Clearwell Chemeng, KKU, M.Thabuot The water leaves the clearwell and goes into a set of pipes, which crisscross residential and commercial areas. These pipes are called the distribution system. While in the distribution system, some of the chemicals originally added in the clearwell or along the way at booster stations protect the water from any other biological activities. Chemeng, KKU, M.Thabuot

Wastewater Treatment การเลือกระบบบำบัดน้ำเสียขึ้นกับปัจจัยต่างๆ ได้แก่ ลักษณะของน้ำเสีย ระดับการบำบัดน้ำเสียที่ต้องการสภาพทั่วไปของท้องถิ่น ค่าลงทุนสก่อสร้างและค่าดำเนินการดูแลและบำรุงรักษา และขนาดของที่ดินที่ใช้ในการก่อสร้าง เป็นต้น Chemeng, KKU, M.Thabuot

Wastewater Treatment การบำบัดน้ำเสียแบ่งได้ตามกลไกที่ใช้ในการกำจัดสิ่งเจือปนในน้ำเสีย ได้ดังนี้ การบำบัดทางกายภาพ (Physical Treatment) เป็นวิธีการแยกเอาสิ่งเจือปนออกจากน้ำเสีย โดยใช้อุปกรณ์ใน การบำบัดทางกายภาพ ซึ่งจะเป็นการลดปริมาณของแข็งทั้งหมด ที่มีในน้ำเสียทั้งหมด Chemeng, KKU, M.Thabuot

Wastewater Treatment การบำบัดทางเคมี (Chemical Treatment) ถังกวนเร็ว โดยใช้กระบวนการทางเคมีเพื่อทำปฏิกิริยากับสิ่งเจือปนในน่ำเสีย ที่มีค่า pH สูงหรือต่ำเกินไป มีสารพิษ มีโลหะหนัด มีของแข็งแขวนลอยที่ตกตะกอนยาก มีไขมันและน้ำมันที่ละลายน้ำ มีไนโตรเจนหรือ ฟอสฟอรัสที่สูงเกินไป และมีเชื้อโรค ถังกวนเร็ว ถังกวนช้า ถังตกตะกอน ถังกรอง ถังฆ่าเชื้อโรค Chemeng, KKU, M.Thabuot

Wastewater Treatment การบำบัดทางชีวภาพ (Biological Treatment) ใช้กระบวนการทางชีวภาพหรือใช้จุลินทรีย์ในการกำจัดสิ่งเจือปนในน้ำเสีย โดยเฉพาะสารคาร์บอนอินทรีย์ ไนโตรเจน และฟอสฟอรัส Chemeng, KKU, M.Thabuot

ขั้นตอนการบำบัดน้ำเสีย การบำบัดขั้นต้น (Preliminary Treatment) และการบำบัดขั้นต้น (Primary Treatment) เห็นการบำบัดเพื่อแยกทราย กรวด และของแข็งขนาดใหญ่ออกจากของเหลวหรือน้ำเสีย Coarse Screen Fine Screen Grit Chamber Primary Sedimentation Tank Skimming Devices Chemeng, KKU, M.Thabuot

ขั้นตอนการบำบัดน้ำเสีย การบำบัดขั้นที่สอง (Secondary Treatment) หรือการบำบัดทางชีวภาพ (Biological Treatment) อาศัยหลักการเลี้ยงจุลินทรีย์ในระบบภายใต้สภาวะที่สามารถควบคุมได้ เพื่อเพิ่มคุณภาพในการกินสารอินทรีย์ได้รวดเร็วกว่าที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและแยกตะกอนจุลินทรีย์ออกจากน้ำทิ้งโดยใช้ถังตกจะกอน (secondary sedimentation tank) แล้วผ่านเข้าระบบฆ่าเชื้อโรค (Disinfection) เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีจุลินทรีย์แล้ว ก่อนระบายน้ำทิ้งลงแหล่งน้ำธรรมชาติ หรือ นำกลับไปใช้ประโยชน์ Chemeng, KKU, M.Thabuot

ขั้นตอนการบำบัดน้ำเสีย การบำบัดขั้นสูง (Advance Treatment หรือ Tertiary Treatment) เป็นการกำจัดสารอาหาร (ฟอสฟอรสและไนโตรเจน) สี สารแขวนลอยที่ตกตะกอนยาก และ อื่นๆ ที่ยังไม่ถูกกำจัดโดยกระบวนการบำบัดขั้นที่สอง Chemeng, KKU, M.Thabuot

Wastewater Treatment Plant Activated Sludge Processes Tertiary Treatment Physical-chemical Treatment Activated Sludge for Industrial Wastewater Completely mixed Dispersed plug-flow Aerated Lagoons for Industrial Wastewater Chemeng, KKU, M.Thabuot

ระบบบำบัดน้ำเสียแบบแอกติเวเต็ดสลัดส์ (Activated Sludge) เป็นวิธีบำบัดน้ำเสียด้วยวิธีการทางชีววิทยาโดยใช้แบคทีเรียพวกที่ใช้ออกซิเจน (Aerobic Bacteria) เป็นตัวหลักในการย่อยสลายสารอินทรีย์ในน้ำเสีย ถังเติมอากาศ (aeration tank) ถังตกตะกอน (sedimentation tank) Chemeng, KKU, M.Thabuot

การบำบัดกากตะกอนหรือสลัดส์ (Sludge Treatment) การทำข้น (Thickerner) ใช้กลไกการตกตะกอน (sedimentation) และใช้กลไกการลอยตัว (floatation) การให้สลัดส์คงตัว (Stabilization) โดยการย่อยสลัดส์ด้วยกระบวนการใช้อากาศ หรือ ใช้กระบวนการไร้อากาศ เพื่อลดสารอินทรีย์ในสลัดส์ ทำให้คงตัวนำไปทิ้งได้โดยไม่เน่าเหม็น การปรับสภาพสลัดส์ (Conditioning) ทำให้สลัดส์มีความเหมาะสมในการใช้ประโยชน์ต่อไป Chemeng, KKU, M.Thabuot

การบำบัดกากตะกอนหรือสลัดส์ (Sludge Treatment) การรีดน้ำ (Dewatering) เพื่อลดปริมาณสลัดส์ที่จะนำไปทิ้ง ทำให้เกิดความสะดวกในการขนส่ง เครื่องกรองสูญญากาศ (Vacuum Filter) เครื่องอัดกรอง (Filter Press) เครื่องกรองหมุนเหวี่ยง (Centrifuge) ลานตากสลัดส์ (Sludge Drying Bed) Chemeng, KKU, M.Thabuot

Activated Sludge Plant Chemeng, KKU, M.Thabuot

Tertiary Treatment Plant Chemeng, KKU, M.Thabuot

Physical-Chemical Treatment Plant Chemeng, KKU, M.Thabuot

Completely-Mixed AS Process Chemeng, KKU, M.Thabuot

Dispersed Plug-Flow AS Process Chemeng, KKU, M.Thabuot