การปรับปรุงคุณภาพของน้ำ ( Water treatment)

การปรับปรุงคุณภาพของน้ำ ( Water treatment)


การปรังปรุงคุณภาพของน้ำ เพื่อทำให้น้ำมีคุณภาพเหมาะสมแก่การดื่มและใช้ เพราะน้ำบางแหล่งมีคุณสมบัติทางเคมี ฟิสิกส์ และบัคเตรีมากเกินกว่ามาตรฐานที่กำหนดไว้เหมาะต่อการใช้ดื่มบริโภค จึงจำเป็นต้องทำการปรับปรุง(Treatment) ซึ่งกรรมวิธีในการปรับปรุงคุณภาพของน้ำที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันนี้มีหลายวิธี แต่ละวิธีก็มีความเหมาะสม และจำเป็นของแต่ละแหล่งน้ำไป




1. การต้ม (Boiling)

วิธีนี้เป็นวิธีปรับปรุงน้ำแบง่ายที่สุด และเป็นวิธีที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายทั่วโลกมาตั้งแต่สมัยโบราณ เป็นวิธีมุ่งทำลายเชื้อจุลินทรีย์ที่มีอยู่ในน้ำให้หมดไป กรรมวิธีก็คือนำน้ำมาต้มให้เดือดประมาณ 15-30 นาที ความร้อนขณะน้ำเดือดก็จะมีอยู่ประมาณ 90-100 c เป็นความร้อนที่เพียงพอจะทำลายเชื้อจุลินทรีย์โดยเฉพาะเชื้อที่ทำให้เกิดโรคหมดไป แต่คุณสมบัติทางฟิสิกส์ และเคมีอาจเปลี่ยนไปได้เล็กน้อย เช่น อาจลดปริมาณความขุ่น สี และกลิ่น และสามารถทำให้น้ำกระด้างชั่วคราวหายไปได้ ดังสมการ

Ca (HCO3)2 CaCO3 + H2O + CO2

ดังนั้น ในกรณีที่เกิดโรคระบาด เช่น เกิดโรค บิด หรือไข้ไทฟอยด์ระบาด การที่จะแนะนำประชาชนให้ป้องกันโรคนี้ได้ดีที่สุดก็คือ แนะนำประชาชนดื่มน้ำที่ต้มสุก ซึ่งถ้าประชาชนปฏิบัติตามได้ ก็สามารถลดอัดตราการเกิดโรคลงได้อย่างแน่นอนและกรรมวิธีในการต้มน้ำก็ทำได้ง่าย เสียค่าใช่จ่ายน้อย เหมาะสมที่จะใช้ภายในครอบครัวหรือส่วนบุคคล




2. การกลั่น ( Distillation )

การปรับปรุงคุณภาพของน้ำโดยวิธีการกลั่นนี้จะสามารถปรับปรุงคุณภาพของน้ำได้ดีที่สุด คือสามารถทำให้น้ำปราศจากคุณสมบัติ ทั้งทางเคมี ฟิสิกส์ และบัคเตรีแต่กรรมวิธีแบบนี้ค่อนข้างจะยุ่งยาก และค่าดำเนินงานค่อนข้างจะแพง ส่วนใหญ่วิธีการกลั่นน้ำจะนำมาใช้นั้นมักจะกระทำในวงจำกัด ใช้ในทางวิทยาศาสตร์ และกิจการแพทย์เท่านั้น เพราะกิจการทั้งสองอย่างต้องการน้ำที่คุณภาพสูง เช่น เตรียมเป็นน้ำกลั่นเพื่อผสมยา เพื่อใช้รับประทาน และฉีดเข้าไปในร่างกายมนุษย์ แต่ถึงอย่างไรก็ตามในปัจจุบันนี้มีบางประเทศที่มีปัญหาในเรื่องการหาแหล่งน้ำจืด เพื่อนำมาบริโภค เช่น บางประเทศในตะวันออกกลางก็พยายามใช้วิธีการกลั่นน้ำทะเลให้เป็นน้ำจืด เพื่อให้มีปริมาณเพียงพอที่จะใช้เป็นน้ำประปา เพื่อบริการให้แก่ชุมชน แต่ก็ยังนิยมใช้กันไม่แพร่หลายมากนักเพราะการลงทุนต้องใช้เงินเป็นจำนวนมาก และค่าดำเนินงานก็แพงด้วย




3. การใช้สารเคมี (Chemical treatment)

มีสารเคมีอยู่หลายชนิดที่สามารถทำลายเชื้อโรคในน้ำได้


ก. ด่างทับทิม (Potassium Permanganate) เมื่อละลายในน้ำจะเป็นสีชมพูหรือชมพูอมม่วง ด่างทับทิมสามารถทำลายเชื้อโรคได้เพียงบางชนิดเท่านั้น พวกบัคเตรีที่มีสปอร์ ด่างทับทิมไม่สามารถทำลายได้ และประสิทธิภาพในการทำลายเชื้อจุลินทรีย์จะต้องใช้เวลานาน ด่างทับทิมที่นำมาละลายในน้ำอัตรา 1 :100 ถึง 1 : 5000 จะสามารถทำลายเชื้อโรคได้ต้องใช้เวลานานเป็นชั่วโมง ส่วนความหมาย 1 : 5000 หมายความว่า จะใช้ด่างทับทิม 1 กรัม ละลายในน้ำ 5000 กรัม หรือ 5000 ลูกบาศก์เซนติเมตร


ข. ทิงเจอร์ไอโอดีน เราสามารถใช้ทิงเจอร์ไอโอดีนที่ใช้ใส่แผล ที่มีความแรงขนาด 1 ½ - 2 เปอร์เซ็นต์ ในกรณีฉุกเฉินหรือกรณีจำเป็นที่ต้องทำความสะอาดเล็กน้อย ขนาดที่ใช้ คือ ใช้ทิงเจอร์ไอโอดีนเพียง 2 หยด ในน้ำ 1 ลิตร น้ำที่ใส่ทิงเจอร์ไอโอดีนแล้วจะมีรสเฝื่อน จะแก้รสเฝื่อนได้โดยเติมโซเดียวไทโอซัลเฟต 7 % ลงไป 2 หยด


ค. คลอรีน ในการทำลายเชื้อโรคในน้ำ สารที่นิยมใช้กันมาก คือ คลอรีน ซึ่งมีประสิทธิภาพในการทำลายเชื้อโรคได้สูงและราคาไม่สู้จะแพงมากนัก สีเป็นสีขาว ไม่เป็นที่รังเกียจ ยกเว้นจะมีกลิ่นเหม็นเล็กน้อย สารคลอรีนโดยทั่วไปมี 2 ชนิด คือ ชนิดผง และก๊าซ
1. ผงคลอรีน (Chlorine Powder) มีอยู่หลายแบบ เช่น แคลเซียมไฮโปรคลอไรด์ Ca(OCl)2 มักจะมีความเข้มข้นระหว่าง 60-70 % โซเดียมไฮโปรคลอไรด์ Na(OCl) มักจะมีความเข้มข้นของคลอรีนอยู่ประมาณ 16 % และ chloride of lime (bleaching powder) จะมีความเข้มข้นของคลอรีนประมาณ 35 %
2. ก๊าซคลอรีน (Chlorine Gas) จะมีความเข้มข้นของคลอรีนอยู่ประมาณ 100 % การทำลายเชื้อโรคในน้ำเราเรียกว่า Chlorination การใส่คลอรีนลงไปในน้ำเพื่อทำลายเชื้อโรค การที่จะใช้ประเภทก๊าซหรือผงคลอรีนก็มักจะขึ้นอยู่กับประเภทของการใช้ เช่น ใช้ภายในบ้านเรือนหรือกิจการประปาขนาดเล็ก มักจะใช้คลอรีนชนิดผง เพราะสะดวกและปลอดภัยต่อการใช้การขนส่งระยะทางไกล ส่วนในกิจการประปาใหญ่ ๆ มักจะใช้คลอรีนก๊าซเป็นส่วนใหญ่ คือการใช้ต้องอาศัยเครื่องอัตโนมัติจึงจะใช้ได้
การใช้คลอรีนประเภทใดก็ตาม องค์การอนามัยโลกได้เสนอแนะว่า น้ำประปาไม่ควรจะมีปริมาณของคลอรีนเหลือค้าง (residual chlorine) น้อยกว่า 0.5 พีพีเอ็ม และระยะเวลาของการออกฤทธิ์เพื่อการทำลายเชื้อโรค (contact time) ไม่ควรน้อยกว่า 30 นาที ปริมาณคลอรีนที่ใช้ใส่ลงในน้ำจะเพียงพอต่อการทำลายเชื้อโรคหรือไม่ เราสามารถทำการตรวจหา residual chlorine ( คือ จำนวนคลอรีนที่เหลืออยู่ในน้ำ ) ผลการตรวจเราจะวินิจฉัยได้ว่าจำนวนคลอรีนที่ใส่ลงไปนั้น เพียงพอที่จะทำลายเชื้อโรคได้หรือไม่ การทดสอบมักจะกระทำการตรวจหลังจากที่เติมคลอรีนลงไปในน้ำแล้วประมาณ 1 ชั่วโมง
การเติมคลอรีนลงในน้ำ เช่น ในน้ำที่ทำน้ำแข็งในน้ำประปา จะต้องใส่คลอรีนเป็นประจำ และจะต้องตรวจพบ Residual chlorine ไม่ต่ำกว่า 0.2 – 1 พีพีเอ็ม



ส่วนการเติมคลอรีนในคราวที่เกิดโรคระบาด เช่น ในกรณีที่เกิดโรคระบาดทางน้ำ การป้องกันเราต้องใส่คลอรีนให้มากขึ้นและให้มีคลอรีนเหลือค้างมากกว่าปกติ คือ ไม่ต่ำกว่า 0.5-2 พีพีเอ็ม
ในการเติมคลอรีนจะใช้ปริมาณมากน้อยเพียงใดก็สุดแต่ว่าน้ำนั้นสะอาดหรือสกปรก ในกรณีที่น้ำสกปรก ก็จำเป็นต้องใช้คลอรีนมาก เพราะจำนวนคลอรีนที่เติมลงไปทั้งหมดเรียกว่า Total chlorine จำนวนคลอรีนบางส่วนจะไปทำลายเชื้อโรคและทำปฏิกิริยากับสารอินทรีย์และอนินทรีย์ต่าง ๆ ที่อยู่ในน้ำ จำนวนคลอรีนส่วนนี้เราเรียกว่า chlorine drmand
หลังจากคลอรีนทำปฏิกิริยาดังกล่าวแล้ว จะมีคลอรีนอีกจำนวนหนึ่งเหลืออยู่เรียกว่า Residual chlorine คือจำนวนคลอรีนที่เหลืออยู่ในน้ำ เพื่อที่จะทำหน้าที่ทำลายเชื้อโรคต่าง ๆ ที่หลงเหลือหรือปะปน (contaminte) เข้าไปใหม่ในระหว่างที่จ่ายน้ำออกไปจากจุดที่เริ่มจ่ายน้ำจนถึงปลายสุดที่ประชาชนใช้น้ำ
Total chlorine = chlorine drmand + residual chlorine
ปูนคลอรีนหรือสารประกอบของคลอรีน จะบอกความเข้มข้นของคลอรีนเป็นเปอร์เซ็นต์ หมายความว่าสารประกอบนั้นมีคลอรีนที่บริสุทธิ์ หรือเป็นตัวที่ใช้ทำลายเชื้อโรค เช่น
ปูนคอลรีน 35 % หมายความว่าปูนคลอรีนนี้ จะต้องอาศัยสูตรต่าง ๆ ที่ใช้ในการคำนวณ คือ
ในการคำนวณสำหรับการใช้ปูนคลอรีนนี้ จะต้องอาศัยสูตรต่าง ๆ ที่ใช้คำนวณ คือ
ปริมาตรของรูปสี่เหลี่ยม = กว้าง x ยาว x สูง
= ¶r2 x สูง หรือ ¶D2/4 x สูง
¶ = 22/7 = 3.14
R = รัศมีของวงกลม หรือ ½ เส้นผ่าศูนย์กลาง
D = เส้นผ่าศูนย์กลาง
ส่วนสูง = ความลึกของน้ำ
น้ำ 1 ลูกบาศก์เมตร = 1,000 ลิตร
1 ลิตร = 1,000 ลูกบาศก์เซนติเมตร
หรือ 1 ลูกบาศก์เมตร = 1,000,000 ลูกบาศก์เซนติเมตร หรือ 1,000,000 กรัม
น้ำ 1 ลูกบาศก์เซนติเมตร = 1 กรัม (โดยน้ำหนัก)

ตัวอย่างที่ 1 ในถังเก็บน้ำแห่งหนึ่ง กว้าง 3 เมตร ยาว 5 เมตร มีน้ำลึก 2เมตร ต้องการใช้ปูนคลอรีนชนิด 35% ใส่ เพื่อทำลายเชื้อโรคในน้ำที่มีความเข้มข้น 5 พี พี เอ็ม ต้องใช้คลอรีนจำนวนเท่าใด
ปริมาตรของถังน้ำ = กว้าง X ยาว X สูง
= 3 X 5 X 2
= 30 ลูกบาศก์เมตร
น้ำ 1 ลูกบาศก์เมตร = 1,000,000 กรัม
ถ้าน้ำ 30ลูกบาศก์เมตรมี = 30 X 1,000,000 กรัม
ต้องใส่คลอรีนให้มีความเข้มข้น 5 กรัม จึงจะได้ 5 พี พี เอ็ม
แต่ในถังน้ำมีน้ำอยู่ 30 ลูกบาศก์เมตร เพราะฉะนั้นต้องใช้คลอรีน
= 5 X 30 = 150 กรัม
ใช้ปูนคลอรีนชนิด 35% หมายความว่า มีคลอลีนบริสุทธิ์ 35 กรัม ในเนื้อปูนคลอรีน 100 กรัม
ถ้าต้องการใช้คลอรีนบริสุทธิ์ 150 กรัม จะต้องใช้เนื้อปูนคลอรีน 100/35 x 150
= 428.6
จะต้องใช้ปูนคลอรีนในการทำลายเชื้อโรคในถังเก็บน้ำ = 428.6 กรัม

ตัวอย่างที่ 2 บ่อน้ำแห่งหนึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลาง 2.50 เมตร ลึก 10 เมตร แต่มีน้ำลึกเพียง 2เมตร
ถ้าต้องการทำลายเชื้อโรคด้วยปูนคลอรีนชนิด 70% จะต้องใช้ปูนคลอรีนจำนวนเท่าใด เพื่อให้คลอรีนมีความเข้มข้น 12 พี พี เอ็ม จึงจะทำลายเชื้อโรคหมดพอดี และยังต้องการให้คลอลีนเหลือตกค้างอีก 2 พี พี เอ็ม
ปริมาตรของน้ำในบ่อ = ¶r2 x ความลึก
= 22/7 x 1.25 x 1.25 x 2
= 4.19 ลูกบาศก์เมตร
โจทย์ต้องการใส่คลอรีนทำลายเชื้อโรคหมดเพียง 12 พี พี เอ็มให้เหลือเป็นครอลีนตกค้างเพียง 2 พี พี เอ็ม รวม เป็น 14 พี พีเอ็ม
ในน้ำ 1 ลูกบากศก์เมตร ( หรือ 1, 000,000 กรัม) ต้องการใส่คลอลีน 14 กรัม
น้ำในบ่อ 4.91 ลูกบากศก์เมตรต้องใช้ครอลีน = 14 X 4.91 กรัม
= 68.74 กรัม
แต่ใช้ปูนคลอรีนชนิด 70%
มีคลอรีน 70 กรัม จะต้องใช้ปูนคลอลีน 100 กรัม
68.74 กรัม จะต้องใช้ปูนคลอรีน = 100/70 x 68.74
จะต้องใช้ปูนคลอรีนทำลายเชื้อโรคในบ่อน้ำ = 98.2 กรัม




4. การกรอง (Filtration)

เป็นวิธีหนึ่งที่ใช้ได้ผลดีและเป็นที่นิยมอย่างกว้างขวางในการปรับปรุงคุณภาพของน้ำ สามารถใช้ได้ทั้งในกิจการของประปาขนาดเล็กและขนาดใหญ่ หรือแม้แต่นำเองภายในบ้าน(Home madesand filter) การกรองอาศัยหลักการที่ว่าเอาน้ำที่เข้าใจว่าสกปรกมาผ่านวัสดุบางอย่างที่เป็นตัวกรอง (filter media) โดยที่วัสดุนี้ต้องมีคุณสมบัติหรือสามารถกักกันเอาสิ่งสกปรกที่ติดมากับน้ำมิให้ไหลผ่านลงไปได้
โดยทั่วไปแล้วการกรองมักจะมุ่งถึงการลดความสกปรกทางด้านฟิสิกส์และบัคเตรีเป็นส่วนใหญ่ เช่น ลดความขุ่นและลดจำนวนบัคเตรีและจุลินทรีย์ชนิดต่างๆที่มีอยู่ในน้ำให้เหลือน้อยลง วัสดุที่ใช้กรอง เช่น Membrance filter หรือใช้กรวดหิน และทรายเป็นวัสดุกรองได้ การกรองที่นิยมใช้โดยทั่วไป คือ การกรองด้วยทรายแบบช้า (slow sand filter) กับการกรองด้วยทรายแบบเร็ว (rapid filter)

1. เครื่องกรองด้วยทรายแบบช้า (slow and filter) เป็นวิธีการกรองด้วยทรายโดยให้น้ำไหลผ่านชั้นทรายช้าๆ ในอัตราไม่เกิน 54 ล้านแกลลอนต่อเนื้อที่ผิวทราย 1 เอเคอร์ต่อวัน หรือ 50แกลลอนต่อเนื้อที่ผิวทราย 1 ตารางฟุต ใน 1วัน ตัวกรองประกอบด้วยชั้นทรายหนาประมาณ2.5ฟุต ขนาดของเม็ดทราย 0.25 – 0.35 มิลลิเมตร ให้มีขนาดเดียวกัน (uniformity) ชั้นกรวดและชั้นหินหนาประมาร 18 นิ้ว โดยใส่รองไว้ก้นถัง เพื่อป้องกันทรายมิให้อุดตันจะทำให้น้ำไหลได้สะดวกรวดเร็วไปยังก้นถัง ดังนั้น พวกตะกอนและจุลินทรีย์จะถูกกักไว้บนผิวหน้าของทรายประสิทธิภาพของการกรองแบบนี้สามารถกรองบัคเตรีได้ถึง 98-99% และสามารถขจัดความขุ่นจาก 50 พี พี เอ็ม ให้เหลือเพียง5 พี พี เอ็ม ถ้าหากน้ำมีความขุ่นมากกว่านี้ ควรจะใส่สารเคมี เช่น สารส้มเข้าช่วย เพื่อลดความขุ่นลงเสียก่อน มิฉะนั้นจะทำให้หม้อกรองอุดตันเร็วกว่าปรกติ ประการที่ 2 การทำความสะอาดหม้อกรองทำได้โดยการตักเอาผิวหน้าของชั้นทรายข้างหน้าออกเพื่อนำไปล้าง แล้วนำทรายใส่ตามเดิม หรือจะใช้วิธีขุดเอาทรายผิวหน้าออกทิ้งเลย แล้วเอาทรายใหม่ใส่ลงไปเหมือนเดิม ประการที่ 3 ระยะเวลาของการทำความสะอาดผิวหน้าของหม้อกรองประมาร 7 วันต่อครั้งแต่ก็มักขึ้นอยู่กับความขุ่นของน้ำที่ใช้กรองว่าขุ่นมากหรือน้อย ถ้าน้ำที่มีความขุ่นมาก ระยะเวลาที่จะทำความสะอาดอาจะทำบ่อยครั้งขึ้น เช่น อาจเป็นประมาณ 3 วัน ต่อครั้ง และประการสุดท้ายก็คือ ควรคำนึงถึงอัตราการกรอง (การไหลของน้ำผ่านหม้อกรอง) ถ้าเร่งอัตราการกรองมากเกินไปจะทำให้ความปลอดภัยน้อยลง

2. เครื่องกรองด้วยทรายแบบเร็ว (Rapid Sand Filter) การกรองแบบนี้เป็นแบบที่พัฒนามาจากการกรองแบบช้า ซึ่งใช้ในกิจการประปาของอังกฤษ เมื่อ ค. ศ. 1829 ต่อมาในปี ค.ศ. 1893 สหรัฐอเมริกาได้เริ่มดัดแปลงมาใช้เครื่องก่นแบบเร็ว โดยสามารถกรองน้ำได้ปริมาตรสูงถึง 125 ล้านแกลลอนต่อเนื้อที่ ของทราย 1 เอเคอร์ต่อวัน หรือประมาณ 2 แกลลอนต่อเนื้อที่ผิวหน้าทราย1 ตารางฟุตต่อนาที ตัวกรองประกอบด้วยชั้นกรวดและชั้นหิน มีความหนาประมาณ 30 นิ้ว ชันทราย(bed sand) มีความหนา 18 นิ้ว ขนาดของเม็ดทราย โดยประมาร 0.4 – 0.8 มิลลิเมตร ข้อเสนอแนะการใช้เครื่องกรองแบบเร็ว คือ น้ำดิบก่อนที่จะนำมาผ่านเครื่องกรองจะต้องปรับปรุงคุณภาพเสียก่อน เช่น การผสมสารส้ม เพื่อให้เกิดการตกตะกอนโดยทำให้น้ำมีความขุ่นเหลือประมาณ 10 หน่วย แล้วจึงนำมาเข่าถังกรอง เพื่อทำให้กรอง ได้ปริมาณมากและรวดเร็ว การล้างเครื่องกรองแบบ เร็วโดยใช้น้ำที่สะอาดแล้วปล่อยเข้าถังกรองโดยอาศัยความดันอากาศ (Pressure) เข้าช่วยเพื่อขจัดตะกอนออกให้หมด การล้างแบบนี้เรียกว่า back washing ซึ่งทำได้ง่ายและรวดเร็ว ประสิทธิภาพของการกรองเร็วคือสามารถกรองบัคเตรีได้ประมาร 80-90% เพราะฉะนั้นการทำลายเชื้อโรคที่เหลือตกค้างในน้ำจำเป็นต้องอาศัยวิธีอื่น เช่น ใช้สารคลอรีนเข้าช่วย (chlorination) จึงทำให้น้ำปลอดภัยต่อการใช้บริโภค



ข้อเปรียบเทียบข้อดีและข้อเสียของการกรองน้ำ ระหว่างกรองน้ำแบบเร็วกับกรองน้ำแบบช้า

การกรองแบบเร็ว

ข้อดี
1. ราคาที่ดินถูกกว่า เพราะในเมืองใหญ่มีปัญหาราคาที่ดินสำคัญมาก เพราะใช้ที่ดินน้อย
2. การขยายโรงงานได้ง่ายกว่า
3. มีปริมาณน้ำเพียงพอที่จะจ่าย เพราะอัตราการกรองได้เร็ว
4. ค่าดำเนินงาน Operation ถูก เพราะใช้เจ้าหน้าที่น้อยซึ่งส่วนใหญ่ใช้เครื่องจักรทำงาน

ข้อเสีย
1. ค่าก่อสร้าง cost of construction แพง
2. ค่าสึกหรอสูง

การกรองแบบช้า

ข้อดี
1. ค่าก่อสร้าง cost of construction ถูก
2. ค่าสึกหรอน้อย

ข้อเสีย
1. ราคาที่ดินแพงกว่า (เมื่อเปรียบเทียบกันในเมืองใหญ่ๆ)
2. การขยายโรงงานได้ยาก เพราะต้องการเนื้อที่มาก
3. ค่าดำเนินงานแพง (operation) เพราะต้องจ้างคนทำงานเป็นจำนวนมาก เนื่องจากไม่มีเครื่องจักรทำงาน
4. กรองน้ำได้ปริมาณน้อย ไม่พอใช้