วิศวกรรมประปา (Filtration) PDF

532313 วิศวกรรมประปา อ.ดร.วรศิร ิ เดอ กาเดอเนต์ 1 การกรองน้า WATER FILTRATION ENG32 3301 วิศวกรรมประปา อ.ดร.วรศิร ิ เดอ กาเดอเนต์ Content ▪ การกรอง (Filtration) ▪ กลไกของการกรอง ▪ สารกรอง (Filter Media) ▪ รูปแบบของระบบการกรอง...

532313 วิศวกรรมประปา อ.ดร.วรศิร ิ เดอ กาเดอเนต์ 1 การกรองน้า WATER FILTRATION ENG32 3301 วิศวกรรมประปา อ.ดร.วรศิร ิ เดอ กาเดอเนต์ Content ▪ การกรอง (Filtration) ▪ กลไกของการกรอง ▪ สารกรอง (Filter Media) ▪ รูปแบบของระบบการกรอง ▪ ชนิดของเครื่องกรอง ▪ ประสิทธิภาพในการกรอง ▪ ปัญหาในการกรอง ▪ ค่าการออกแบบ 3 การกรอง (Filtration) ▪ เป็นกระบวนการทางกายภาพและทางเคมี ▪ สาหรับแยกสารแขวนลอย คอลลอยด์และจุลชีพต่าง ๆ ออกจากน้า 4 Content ▪ การกรอง (Filtration) ▪ กลไกของการกรอง ▪ สารกรอง (Filter Media) ▪ รูปแบบของระบบการกรอง ▪ ชนิดของเครื่องกรอง ▪ ประสิทธิภาพในการกรอง ▪ ปัญหาในการกรอง ▪ ค่าการออกแบบ ▪ การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน 5 กลไกของการกรอง (Filtration mechanism) Deep-bed filtration Cake filtration ▪ เกิดขึ้นเมื่อน้ าไหลผ่านชัน ้ สารกรอง (Filter bed) ที่มี ▪ ชัน ้ ตะกอนที่อยูบ ่ นผิวหน้าของชัน ้ สารกรอง (Cake) จะ ลักษณะเป็นรูพรุนช่องว่าง (Void) ทาหน้าที่ดก ั จับ ทาหน้าที่เป็นชัน ้ กรองไปด้วย อนุภาคต่าง ๆ ไว้ภายในช่องว่างระหว่างชัน ้ กรอง ▪ มีรูพรุนน้อย ทาให้น้ าไหลผ่านได้ยาก และเกิด Head ▪ เมื่ออนุภาคถูกจับไว้มากจนเต็มช่องว่างแล้ว จะเกิด Loss ต้องทาการ Backwash เป็นชัน ้ ตะกอน (Cake) 6 กลไกของการกรอง (Filtration Mechanism) ▪ Filter Bed ทาหน้าที่ในการกรองมีกลไกดังนี้ ▪ ดักอนุภาคและตะกอนต่าง ๆ ไว้ในช่องระหว่างเม็ดสารกรองที่เรียงตัวอยูเ่ ป็นชัน ้ กรอง ▪ อนุภาคและตะกอนต่าง ๆ ตกค้างบนสารกรอง หรือบนชัน ้ ของตะกอนที่ถก ู ดักไว้แล้ว ▪ ดักอนุภาคคอลลอยด์ต่าง ๆ ไว้โดยวิธก ี ารดูดซับ (Absorption) ▪ Filter aid สารช่วยในการกรอง ▪ เคลือบเม็ดสารกรองไว้ ทาให้ไม่ให้อนุภาคเกาะติดตัวชัน ้ กรอง ▪ ผสมในสารละลายที่จะกรอง ทาให้ประสิทธิภาพในการดูดซับดีข้น ึ ▪ ประสิทธิภาพการดูดซับขึ้นกับขนาดของเม็ดสารกรอง ขนาดของอนุภาคและ Floc คุณลักษณะ การยึดติด และความทนทานต่อแรงเฉือน (shearing strength) 7 Content ▪ การกรอง (Filtration) ▪ กลไกของการกรอง ▪ สารกรอง (Filter Media) ▪ รูปแบบของระบบการกรอง ▪ ชนิดของเครื่องกรอง ▪ ประสิทธิภาพในการกรอง ▪ ปัญหาในการกรอง ▪ ค่าการออกแบบ ▪ การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน 8 สารกรอง (Filter Media) ▪ สารกรองชนิดเดียว (Mono-Medium) ▪ สารกรองแบบคู่ (Dual-Medium) ▪ สารกรองแบบผสม (Mixed-Medium) สารกรองควรม ีค ุณสมบ ัติดง ั น ี้ ▪ ป้องกันไม่ให้ตะกอนหรือคอลลอยด์ไหลผ่านสารกรองได้ ▪ ดักและจับตะกอนหรืออนุภาคแขวนลอยไว้อย่าง พอเหมาะ ง่ายในการล้างกลับ ▪ สามารถดักจับตะกอนหรืออนุภาคไว้ได้มากที่สด ุ โดยไม่ อุ ดตันได้ง่าย 9 สารกรอง (Filter Media) ▪ การจาแนกขนาดและคุณภาพของสารกรองนัน ้ ขึ้นกับคุณสมบัติสองประการคือ Effective size และ Uniform coefficient โดยการวัดคุณสมบัตินท ี้ าได้โดยการนาสารกรองมาร่อนบนตะแกรงมาตรฐาน ▪ Effective Size (E.S.) คือ ขนาดของสารกรองที่จานวนร้อยละโดยน้าหนักของสารกรองมีขนาด เล็กกว่าขนาดนัน ้ ๆ เช่น ▪ D10 คือขนาดของอนุภาคที่มจ ี านวน 10% by Weight จากน้าหนักของอนุภาคทัง ้ หมด ที่มข ี นาดเล็กกว่าขนาดที่กาหนด Example : D10 = 5 mm, แปลว่า 10% ของน้าหนักอนุภาคทัง ้ หมด มีขนาด < 5 mm 90% โดยน้าหนักค้างบนตะแกรง ตะแกรง Sieve Size 5 mm 10% โดยน้าหนักผ่านตะแกรงได้ 10 สารกรอง (Filter Media) ▪ การจาแนกขนาดและคุณภาพของสารกรองนัน ้ ขึ้นกับคุณสมบัติสองประการคือ Effective size และ Uniform coefficient โดยการวัดคุณสมบัตินี้ทาได้โดยการนาสารกรองมาร่อนบนตะแกรงมาตรฐาน ▪ Effective Size (E.S.) คือ ขนาดของสารกรองที่จานวนร้อยละโดยน้ าหนักของสารกรองมีขนาดเล็กกว่า ขนาดนัน้ ๆ เช่น ▪ D10 คือขนาดของอนุภาคที่มจ ี านวน 10% by Weight จากน้ าหนักของอนุภาคทัง ้ หมด ที่มข ี นาดเล็กกว่าขนาดที่กาหนด Example : D10 = 5 mm, แปลว่า 10% ของน้ าหนักอนุภาคทัง ้ หมด มีขนาด < 5 mm ▪ ฉะนัน ้ Effective Size คือขนาดต่ าสุดของเม็ดสารกรอง ที่มอ ี ยูใ่ นปริมาณสารกรองทัง ้ หมด ซึ่งค่านี้จะไม่บอกถึงความแตกต่างของขนาดของเม็ดสารกรอง 11 สารกรอง (Filter Media) ▪ การจาแนกขนาดและคุณภาพของสารกรองนัน ้ ขึ้นกับคุณสมบัติสองประการคือ Effective size และ Uniform coefficient โดยการวัดคุณสมบัตินท ี้ าได้โดยการนาสารกรองมาร่อนบนตะแกรงมาตรฐาน ▪ Uniformity Coefficient (U.C.) สัมประสิทธิค ์ วามสม่าเสมอ คือ ความสม่าเสมอของขนาด เม็ดสารกรอง = D60/D10 ▪ อัตราส่วนระหว่างขนาดอนุภาคที่ผา่ นตะแกรงได้ 60% ต่อ 10% (D60/D10) ชนิดของสารกรอง Effective Size (mm.) Uniformity Coefficient ทรายละเอียด Fine Sand 0.45 – 0.60 1.60 (Max.) ถ่านแอนทราไซต์ Anthracite 0.65 – 0.76 1.85 (Max.) หินปูน Calcite of Calcium Carbonate 0.33 – 0.68 < 2.00 ถ่านกัมมันต์ Activated Carbon 0.35 – 0.50 < 2.00 12 แจ้งแก้ไข แก้จาก D10/D60 เป็ น D60/D10 13  สารกรอง (Filter Media) ▪ การจาแนกขนาดและคุณภาพของสารกรองนัน ้ ขึ้นกับคุณสมบัติสองประการคือ Effective size และ Uniform coefficient โดยการวัดคุณสมบัตินี้ทาได้โดยการนา สารกรองมาร่อนบนตะแกรงมาตรฐาน วัสดุ ▪ คุณสมบั รูปร่ตางิของสารกรอง ความหนาแน่น ความแข็ง (Mohs) ความพรุน (%) Effective Size (mm.) ทรายซิลิกา กลม 2.6 7 42 0.4 – 1.0 ทรายซิลิกา ขรุขระ 2.6 7 44 0.4 – 1.0 ควอทซ์บดละเอียด เหลี่ยม 2.6 7 53 0.4 – 1.0 กรวดซิลิกา กลม 2.6 7 40 1.0 – 5.0 โกเมน - 3.1 – 4.3 6.5 – 7.5 - 0.2 – 0.4 ถ่านแอนทราไซต์บด เหลี่ยม 1.5 3 50 0.4 – 1.4 ถ่านาแอนทราไซต์บด กลม 1.5 3 50 0.4 – 1.0 14 ความพรุน Porosity Pore Volume Porosity (%) = × 100 % Total Volume Example : Think about it A B C D 15 ความพรุน Porosity 𝐏𝐨𝐫𝐞 𝐕𝐨𝐥𝐮𝐦𝐞 Porosity (%) = × 𝟏𝟎𝟎 % 𝐓𝐨𝐭𝐚𝐥 𝐕𝐨𝐥𝐮𝐦𝐞 Example : Think about it 16 Quiz 1 : ตัวอย่างทรายกรองมีคณ ุ สมบัติดังนี้ Sieve Size (mm) Percent Passing 0.30 2 0.42 10 0.60 36 0.84 60 1.00 80 1. ให้หา Effective Size ของทรายกรองนี้ 2. ให้หา Uniformity Coefficient ของทรายกรองนี้ 3. จากการทดลองหา % Porosity ของแอนทราไซต์ พบว่านักศึกษาต้องใช้น้า 90 ml ในการเทใส่บกี เกอร์ที่มท ี รายกรองอยู่ 200 ml ให้คานวณหา %Porosity 17 สารกรอง (Filter Media) ▪ ทราย (Selected Sand) ▪ ส่วนใหญ่จะเป็นทรายซิลิกา ซึ่งอาจละลายน้ า ได้ ▪ กรวดและทรายที่จะใช้ต้องไม่มหี น ิ ปูน เพราะ จะละลายน้ าและก่อให้เกิดการสึกกร่อน ▪ ข้อเสียคือ น้ าหนักชัน ้ กรองสูง ต้องใช้น้ า Backwash ปริมาณมาก ▪ การกรองเกิดที่ชน ั้ ทรายละเอียดเท่านัน ้ ซึ่งมี ความพรุนต่ า ▪ ความลึกของชัน ้ กรองที่ทาหน้าที่กรองจริง ๆ มีแค่ 15 – 20 cm 18 สารกรอง (Filter Media) ▪ แอนทราไซต์ (Anthracite) ▪ ใช้แก้ปัญหาที่เกิดจากการใช้ทรายเป็นสาร กรองเพียงอย่างเดียว ▪ ไม่ก่อปัญหาการปนเปื้ อนซิลิกา กรณีที่มี น้าร้อนและความเป็นด่างสูง ▪ มีความถ่วงจาเพาะต่า ทาให้เพิม ่ ความลึก ของชัน ้ กรองที่ทาหน้าที่กรองจริง ๆ ได้ 19 สารกรอง (Filter Media) ▪ แอนทราไซต์ (Anthracite) ▪ E.S. และ U.C. มากกว่าทราย ทาให้มคี วาม พรุนสูง ประสิทธิภาพลดลง ไม่สามารถกรอง ความขุน่ เหลือต่ ากว่า 2 ppm ได้ ▪ จึงใช้รว่ มกันกับทรายเป็นแบบ กรอง 2 ชัน้ โดยให้ทรายละเอียดใต้ชน ั้ Anthracite 8 – 10 นิว้ ▪ ข้อดี ดักจับตะกอนและอนุภาคต่าง ๆ ได้ โดยกระบวนการดูดซับ ▪ ข้อดี น้าหนักน้อยจึงลดการใช้น้าในการ Backwash 20 สารกรอง (Filter Media) ▪ หินปูน (Lime) ▪ แคลเซียมคาร์บอเนตที่ผ่านการปรับ สภาพแล้ว มีคณ ุ สมบัติที่ใช้กรองน้ าได้ ▪ แต่ถ้าน้ าดิบมี pH < 6.8 หินปูนจะทา ปฏิกิรย ิ ากับ CO2 กลายเป็นแคลเซียมไบ คาร์บอเนต ซึ่งเป็นตะกอนที่ทาหน้าที่เป็น สารกรองด้วยเช่นกัน CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2 ▪ ปฏิกิรย ิ าจะสมดุลที่ pH 7 ซึ่งจะมีก๊าซ CO2 เหลืออยูใ่ นน้ าบ้าง และหินปูนจะถูก เปลี่ยนเป็นความกระด้างละลายอยูใ่ นน้ า 21 สารกรอง (Filter Media) ▪ ถ่านกัมมันต์ (Activated Carbon) ▪ กาจัดสารอินทรียใ์ นน้ าด้วยการดูดซึม (Absorption) ▪ การดูดซึมเกิดจากพื้นที่ผิว (Surface Area) ของถ่านซึ่งมีค่าประมาณ 500- 1,400 m2/g ▪ Activated Carbon กาจัดสี กลิ่น รส ใน น้ าได้ดี เพราะมีรูพรุนมาก ▪ รูพรุนนี้มข ี นาดเท่ากับโมเลกุลของสารนัน ้ ทาให้โมเลกุลของสารต่าง ๆ จะ แพร่กระจายเข้าไปอยูใ่ นรูปเล็ก ๆ เหล่านี้ 22 Content ▪ การกรอง (Filtration) ▪ กลไกของการกรอง ▪ สารกรอง (Filter Media) ▪ รูปแบบของระบบการกรอง ▪ ชนิดของเครื่องกรอง ▪ ประสิทธิภาพในการกรอง ▪ ปัญหาในการกรอง ▪ ค่าการออกแบบ ▪ การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน 23 รูปแบบของระบบการกรอง 1 2 3 4 Monomedia Monomedia Mixed Media Dual Media Downflow Upflow Filtration Filtration Filtration Filtration สารกรองผสม ู สารกรองค ่ ไหล สารกรองเดียว สารกรองเดียว ไหลลง สองทาง แบบไหลลง แบบไหลขนึ ้ 24 รูปแบบของระบบกรอง ▪ Monomedia Downflow Filtration 1 ทรายที่ละเอียดจะเรียงตัวอยูด ่ ้านบน กรวดขนาดใหญ่ข้น ึ ตามลาดับ ▪ ทรายละเอียดทาให้มช ี อ ่ งว่างน้อย ▪ อุ ดตันได้เร็ว ▪ สูญเสีย Head มาก ▪ ต้อง Backwash บ่อย ▪ มีอายุการใช้งานสัน ้ ๆ ▪ ต้องมีอัตราการกรอง 7-3 gal/min-ft2 25 รูปแบบของระบบกรอง ▪ Monomedia Upflow Filtration 2 ทรายที่ละเอียดจะเรียงตัวอยูด ่ ้านบน กรวดขนาดใหญ่ข้น ึ ตามลาดับ ▪ น้ าไหลผ่านจากช่องว่างมากไปสูน ่ ้อย ▪ หลีกเลี่ยงการอุ ดตันได้ดี อายุการใช้งานนานขึ้น ▪ อัตราการกรอง 6 – 10 gal/min-ft2 ▪ ถ้าให้ความเร็วในการกรองสูงเกินไป จะทาให้กลายเป็น Fluidized Bed ทาให้ตะกอนที่ติดอยู่หลุดออกไปกับน้ า ▪ ควรมีตะแกรงปิดไว้บนชัน ้ ทราย 26 รูปแบบของระบบกรอง ▪ Mixed Media Downflow Filtration 3 สารกรองจะมีความถ่วงจาเพาะหรือความหนาแน่นต่างกัน ▪ สารกรองขนาดใหญ่ควรให้มี Specific Gravity ต่ า ๆ ▪ สารกรองขนาดเล็กควรให้มี Specific Gravity สูง ๆ ▪ สารกรองขนาดใหญ่ควรอยูด ่ ้านบน และสารกรองขนาดเล็กอยู่ ด้านล่าง ▪ น้ าจะไหลผ่านสารกรองขนาดใหญ่ก่อน และขนาดเล็กท้ายสุด ทา ให้อุดตันน้อย มีประสิทธิภาพสูง ▪ อัตราการกรอง 15 – 20 gal/min-ft2 ซึ่งสูงกว่าการกรองแบบ ไหลขึ้น 27 รูปแบบของระบบกรอง ▪ Mixed Media Downflow Filtration 3 สารกรองจะมีความถ่วงจาเพาะหรือความหนาแน่นต่างกัน ▪ สารกรองขนาดใหญ่ควรให้มี Specific Gravity ต่ า ๆ ▪ สารกรองขนาดเล็กควรให้มี Specific Gravity สูง ๆ ชนิดของสาร Specific ตาแหน่งในถัง กรอง Gravity กรอง ถ่าน 1.50 ชัน ้ บน 60% ทราย 2.65 ชัน ้ กลาง 30% กรวด 2.65 ชัน ้ ล่าง 10% 28 รูปแบบของระบบกรอง ▪ Dual Media Filtration 4 ใช้สารกรองสองชนิด และแยกเป็นสองส่วน ▪ มีทง ั้ การไหลขึ้นและไหลลง ▪ ทาให้มอี ัตราการกรองเพิม ่ สูงมาก (Ultra high-rate filter) 40 gal/min-ft2 ▪ ชัน ้ กรองจะไม่ลอยตัวเนื่องจากมีแรงดันน้ าจากอีกด้าน กดไว้ ▪ เครื่องกรองสามารถมีขนาดเล็ก ทาให้ประหยัดค่า อุ ปกรณ์ 29 Content ▪ การกรอง (Filtration) ▪ กลไกของการกรอง ▪ สารกรอง (Filter Media) ▪ รูปแบบของระบบการกรอง ▪ ชนิดของเครื่องกรอง ▪ ประสิทธิภาพในการกรอง ▪ ปัญหาในการกรอง ▪ ค่าการออกแบบ ▪ การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน 30 ชนิดของเครื่องกรอง 1 2 3 4 ่ งกรองม ี เครื อ เครื อ ่ งกรองลาง้ เครื อ ่ งกรองชา้ เครื อ ่ งกรองเร็ ว แรงดันแบบนอน กลบอ ั ัตโนมติั Slow sand Rapid Sand Horizontal Self back filter Filter Pressure washing filter Filter 31 ชนิดของเครื่องกรอง เครื่องกรองช้า Slow Sand Filter 1 ▪ หรือการกรองตามแรงโน้มถ่วง Gravity Sand Filter ▪ ใช้พ้ น ื ที่มาก มีขนาดใหญ่ ▪ ใช้ทรายละเอียดเป็นสารกรอง หรือชนิดอื่น ๆ ก็ได้ ▪ อัตราการกรองต่ ามาก 0.0478 gal/min-ft2 ▪ น้ าที่ได้จะใส เพราะกรองช้า และสารกรองละเอียด ▪ กรองได้ 50-400 Mgal/min-ft2 จึงจะตันและต้อง backwash 32 ชนิดของเครื่องกรอง เครื่องกรองล้างกลับอัตโนมัติ 2 Self Backwashing Filter ▪ สามารถ Backwash โดยอัตโนมัติ ▪ อาศัยหลักการอุ ดตันของสารกรองเมื่อใช้ไประยะหนึ่ง ทาให้ระดับน้ าที่เข้ากรองสูงขึ้น และไหลกลั บเข้าไปในท่อน้ า ล้างกลับ ▪ เมื่อระดับน้ าสูงกว่าน้ าที่ไหลออกประมาณ 4 – 5 ft จะมีตัวดูดอากาศในท่อน้ าล้างกลับออก เกิดกาลักน้ าขึ้น เกิด การ Backwash ▪ เมื่อระดับน้ ากรองในถังที่สะสมไว้สาหรับล้างกลับได้ลดลงจนต่ ากว่าปลายท่อ Siphon breaker ทาให้อากาศไหล เข้าท่อและหลุดกาลักน้ า และเข้าสูก ่ ระบวนการกรองปกติ 33 ชนิดของเครื่องกรอง เครื่องกรองล้างกลับอัตโนมัติ Self Backwashing Filter 2 34 ชนิดของเครื่องกรอง เครื่องกรองเร็ว 3 Rapid Sand Filter ▪ หรือเครื่องกรองมีแรงดันแบบตัง ้ Vertical pressure filter ▪ พื้นที่กรองน้อยกว่า อุ ดตันได้เร็ว ▪ มักออกแบบให้มพ ี ้น ื ที่การกรองไม่เกิน 1,000 ft2 ▪ การ Backwash ใช้น้าและลมเป่า เพื่อลดปริมาณน้าที่ใช้ ▪ Filtration rate 2 – 3 GPM/ft2 ▪ ถ้าใช้ทราย ให้ Backwash เมื่อ Headloss 0.02 – 2 kg/cm2 ▪ การ Backwash จะต้องทาให้ชน ั ้ ทรายขยับตัวลอยขึ้น Bed Expansion 15 – 20% และระวังไม่ให้ Flow สูงเกินจนทาให้ทรายหลุดออกไปได้ 35 ชนิดของเครื่องกรอง เครื่องกรองมีแรงดันแบบนอน 4 Horizontal Pressure Filter ▪ กรณีที่น้ามีความขุน ่ ไม่มาก ไม่จาเป็นต้องใช้ชน ั้ กรองลึก ▪ มักใช้สารกรองที่มค ี วามหนาปานกลาง ลด Head loss และลดพลังงานในการสูบน้า ▪ ประหยัดเนื้อที่มากกว่า เพราะขนาดเท่ากับแบบ ตัง ้ แต่มพ ี ้น ื ที่ในการกรองมากกว่า 36 CHECK รายชื่อเข้าเรียน Content ▪ การกรอง (Filtration) ▪ กลไกของการกรอง ▪ สารกรอง (Filter Media) ▪ รูปแบบของระบบการกรอง ▪ ชนิดของเครื่องกรอง ▪ ประสิทธิภาพในการกรอง ▪ ปัญหาในการกรอง ▪ ค่าการออกแบบ ▪ การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน 38 ปัจจัยที่มผ ี ลต่อประสิทธิภาพการกรอง 1. การเตรียมน้าก่อนเข้ากรอง 2. วิธก ี ารทาความสะอาดสารกรอง 3. พิกัด Head Loss ของเครื่องกรอง 4. ขนาดของเม็ดทราย 5. ความเร็วการกรอง 6. ความสามารถในการดักจับตะกอน 39 ปัจจัยที่มผ ี ลต่อประสิทธิภาพการกรอง 1. การเตรียมน ้าก่อนเขากรอง ้ ▪ น้าดิบที่มค ี วามขุน ่ น้อย ▪ น้าดิบที่มค ี วามขุน ่ สูง ▪ ประสิทธิภาพการกรองจะสูง ▪ ประสิทธิภาพการกรองจะต่า ▪ การอุ ดตันเกิดช้า ▪ เครื่องกรองอุ ดตันได้ง่าย ▪ ช่วงเวลาใช้งานก่อนการล้างกลับ ▪ ต้อง Backwash บ่อย นาน ▪ น้าที่ได้อาจมีความขุน ่ สูงกว่าที่ ต้องการ 40 ปัจจัยที่มผ ี ลต่อประสิทธิภาพการกรอง 2. ว ิธีการทาความสะอาดสารกรอง ▪ วิธท ี ี่นย ิ มใช้คือ ใช้อากาศเป ่ากวนให้ชน ั้ ทรายขยับตัว ปล่อย อนุภาคและตะกอนที่ติดอยูบ ่ นชัน ้ กรองออกมาก่อน จากนัน ้ จึงใช้ น้า Backwash ไล่ตะกอนออกไปกับน้า ▪ วิธน ี ท ี้ าให้ประหยัดน้า แทนการ Backwash ด้วยน้าอย่าง เดียว ซึ่งจะต้องมีถังบรรจุน้าขนาดใหญ่เตรียมไว้ และใช้น้า ปริมาณมาก ▪ อาจใช้วธ ้ั ิ ใี ช้ท่อฉีดน้าล ้างผ ิวหน ้าชนสารกรองก่ อน (Surface washing) แล้วจึงค่อย Backwash ▪ อาจใชว้ ิธีใชใบพาย ้ (Mechanical Rakes) ที่ฝังอยูใ่ นชัน ้ ทราย ซึ่งจะกวนทรายในขณะที่มกี ารล้างกลับ ช่วยให้ตะกอนหลุดออกมา ได้ดีข้น ึ 41 ปัจจัยที่มผ ี ลต่อประสิทธิภาพการกรอง 3. พ ิกัด Head Loss ของเครื่องกรอง ▪ เครื่องกรองที่มี Pressure Drop ในการกรองสูง จะมีชว่ งระยะเวลาการกรอง นานก่อนจะถึงจุดที่มคี วามขุน ่ รัว่ ไหล (Break through) ▪ เครื่องกรองที่มเี ลข Pressure Drop สูง ก็จะมีประสิทธิภาพในการกรองสูง เครื ่องกรอง Pressure Drop (psi) Head loss (ft of H2O) เครื่องกรองแบบมีแรงดัน 3.0 – 5.0 7.0 – 11.6 เครื่องกรองแบบแรงโน้มถ่วง 2.6 – 3.5 6.0 – 8.0 เครื่องกรองแรงโน้มถ่วงล้างกลับ 1.7 – 2.2 4.0 – 5.0 อัตโนมัติ เครื่องกรองถ่าน Activated Carbon 3.0 – 5.0 7.0 – 11.6 42 ปัจจัยที่มผ ี ลต่อประสิทธิภาพการกรอง 3. พ ิกัด Head Loss ของเครื่องกรอง สูตรในการคานวณ N-s/m, kg/m-s 43 ปัจจัยที่มผ ี ลต่อประสิทธิภาพการกรอง 4. ขนาดของเม ็ดทราย สารกรองที่ดีจะต้องมี E.S และค่า U.C. ที่เหมาะสม โดย U.C ใกล้เคียง 1.5 และไม่ควรเกิน 2 E.S. ซึ่งบอกความละเอียดของเม็ดทราย ถ้าเม็ดทรายหยาบ จะกรองได้ไม่ดี ตะกอนและความขุน ่ จะแทรกเข้าไปในชัน ้ กรอง Penetration  Effective Size Head Loss  1/(E.S.)2 44 ปัจจัยที่มผ ี ลต่อประสิทธิภาพการกรอง 5. ความเร็วการกรอง ▪ ความเร็วของน้าในการกรองจะไม่มผ ี ลต่อคุณภาพของน้าที่ผา่ นการกรอง ▪ แต่จะมีผลต่อช่วงระยะเวลาการใช้งานกรอง เพราะเกี่ยวเนื่องกับ “ปริมาณความขุน ่ ”และ Head Loss ที่เกิดขึ้นจากความเสียดทานระหว่างน้าไหลผ่านเม็ดสารกรอง ▪ ในการกรอง Head loss จะสูงขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทัง ่ อุ ดตัน ดังสมการ 𝟏 𝐇𝐞𝐚𝐝 𝐥𝐨𝐬𝐬 ∝ 𝒗𝟏.𝟓 โดยที่ v คือ ความเร็วของน้าที่ผวิ การกรอง (m3/m2-h) ▪ ถ้าความเร็วการกรองเพิม ่ ขึ้น 2 เท่า การอุ ดตันและต้องล้างจะสูงขึ้น 2.85 เท่า 45 ปัจจัยที่มผ ี ลต่อประสิทธิภาพการกรอง 5. ความเร็วการกรอง 𝟏 𝐇𝐞𝐚𝐝 𝐥𝐨𝐬𝐬 ∝ 𝒗𝟏.𝟓 โดยที่ v คือ ความเร็วของน้าที่ผวิ การกรอง (m3/m2-h) ▪ ถ้าความเร็วการกรองเพิม ่ ขึ้น 2 เท่า การอุ ดตันและต้องล้างจะสูงขึ้น 2.85 เท่า ▪ ในการใช้งาน ▪ นิยมล้างทุก ๆ 24 หรือ 48 ชัว่ โมง ▪ ความเร็วในการกรองอยูใ่ นช่วง 5 – 10 m/hr ▪ น้าดิบที่เข้ากรองต้องมี Suspended Solid < 8 – 10 mg/L 46 ตัวอย่างการคานวณ Head Loss ▪ ชัน ้ แอนทราไซต์ (E.S. 1.0 mm) หนา 0.5 m ความพรุน 0.48 อยูด ่ ้านบน ▪ ชัน ้ ทราย (E.S. 0.5 mm) หนา 0.25 m ความพรุน 0.40 อยูด ่ ้านล่าง ▪ สารตัวกรองและน้ามีคณ ุ สมบัติดง ั นี้ ▪ คานวณ Head Loss จากสมการ ▪ ความเร็วการกรอง = 10 m/h (0.0028 m/s) ▪ Carmen-Kozeny ▪ ความหนาแน่นของน้าที่ 5C, w = 1000 kg/m3 f 1−e L v2 hL = ▪ ความหนืดของน้าที่ 5C,  = 1.518x10-3 Ns/m2 φ e3 d g (หรือ kg/ms) ▪ Friction factor ▪ Shape factor  = 1.0 1−𝑒 𝑓 = 150 + 1.75 ▪ ให้คานวณ Head Loss จากสมการ Carmen-Kozeny 𝑁𝑅 ▪ เป็นสมการที่ใช้คานวณ Head Loss ของสารตัวกรอง ▪ Reynold Number ที่สะอาด 2 ชนิด dv NR = ρ μ w 47 ตัวอย่างการคานวณ Head Loss ▪ ชัน ้ แอนทราไซต์ (E.S. 1.0 mm) หนา 0.5 m อยูด ่ ้านบน ความพรุน 0.48 ▪ คานวณ Head Loss จากสมการ m 0.001 m×0.0028 s ×1000 kg/m3 ▪ NR = =1.84 ▪ Carmen-Kozeny 1.518×10−3 N∙s/m2 1−0.48 hL = f 1−e L v2 φ e3 d g ▪ f = 150 × + 1.75= 44.1 1.84 ▪ Friction factor 44.1× 1−0.48 ×0.5 m ×(0.0028 m/s)2 ▪ hL = 1−e 1.0 × 0.483 ×0.001 m ×9.81 m/s2 f = 150 + 1.75 NR = 0.0829 m ▪ Reynold Number dv NR = ρ μ w 48 ตัวอย่างการคานวณ Head Loss ▪ Quiz 2 : ชัน ้ ทราย (E.S. 0.5 mm) หนา 0.25 m ความพรุน 0.40 อยูด ่ ้านล่าง ให้คานวณหา Head Loss ▪ คานวณ Head Loss จากสมการ m 0.0005 m×0.0028 s ×1000 kg/m3 ▪ NR = =? ▪ Carmen-Kozeny 1.518×10−3 N∙s/m2 f 1−e L v2 1−0.40 ▪ hL = φ e3 d g ▪ f = 150 × + 1.75 = ? NR ▪ Friction factor f× 1−0.40 ×0.25 m ×(0.0028 m/s)2 1−e ▪ hL = ▪ f= 150 + 1.75 1.0 × 0.403 ×0.0005 m ×9.81 m/s2 NR ▪ Reynold Number =?m dv ▪ NR = ρ μ w 49 ตัวอย่างการคานวณ Head Loss ▪ ชัน ้ แอนทราไซต์ (E.S. 1.0 mm) หนา 0.5 m ความพรุน 0.48 อยูด ่ ้านบน ▪ ชัน ้ ทราย (E.S. 0.5 mm) หนา 0.25 m ความพรุน 0.40 อยูด ่ ้านล่าง ▪ Total Head Loss ของชัน ้ สารตัวกรอง = hL ชัน ้ แอนทราไซต์ + hL ชัน ้ ทราย =? ปัจจัยที่มผ ี ลต่อประสิทธิภาพการกรอง 6. ความสามารถในการดักจ ับตะกอน ▪ คือความสามารถที่ชน ั้ สารกรองในเครื่องจะดักจับอนุภาคและตะกอนไว้ได้ในหน่วย kg/m2 โดยมี Head Loss คงที่ค่าหนึ่ง ▪ เช่น เครื่องกรองแบบมีแรงดันแบบไหลลงและใช้สารกรองตามปกติ จะมี Solid Holding Capacity สูง ถึง 28 ▪ ฉะนัน ้ ความสามารถในการดักจับตะกอนจึงขึ้นกับ ▪ ชนดของสารกรอง ิ ้ั ▪ การเรี ยงตัวของชนสารกรอง ▪ ท ิศทางการไหลของน ้า ▪ ความสามารถนี้จะลดลง ถ้ามีตะไคร่หรือเมือก ทาให้ชอ ่ งว่างระหว่างเม็ดสารกรองลดลง 51 Content ▪ การกรอง (Filtration) ▪ กลไกของการกรอง ▪ สารกรอง (Filter Media) ▪ รูปแบบของระบบการกรอง ▪ ชนิดของเครื่องกรอง ▪ ประสิทธิภาพในการกรอง ▪ ปัญหาในการกรอง ▪ ค่าการออกแบบ ▪ การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน 52 ปัญหาในการกรอง 1. การอุ ดตันผิวหน้าสารกรองและการแตกแขนงของผิวหน้าในการกรอง 2. ระยะเวลาการกรองสัน ้ 3. น้าที่กรองได้มค ี วามขุน ่ ติดออกมา 4. มีเศษดิน โคลน อยูบ ่ นผิวหน้าของสารกรอง 5. มีทรายกรองรัว่ ไปกับน้าที่กรอง 6. สูญเสียสารตัวกรอง (ถ้าหากชัน ้ บนสุดของชัน ้ สารกรองเป็นแอนทราไซต์หรือถ่านกัมมันต์) 53 ปัญหาในการกรอง 1. การอุ ดตันผิวหน้าสารกรองและการแตกแขนงของผิวหน้าในการกรอง ถ้าสารตัวกรองมีขนาดเล็ก หรือ SS/floc มีความเหนียวมาก การแทรกตัวของ floc เข้าไปในชัน ้ สารกรองจะยาก ทา ให้เกิดการสะสมตัวจนเป็นชัน ้ หนาและเกิดรอยแตกหน้าผิวกรองได้ 54 ปัญหาในการกรอง 1. การอุ ดตันผิวหน้าสารกรองและการแตกแขนงของผิวหน้าในการกรอง ถ้าสารตัวกรองมีขนาดเล็ก หรือ SS/floc มีความเหนียวมาก การแทรกตัวของ floc เข้าไปในชัน ้ สารกรองจะยาก ทา ให้เกิดการสะสมตัวจนเป็นชัน ้ หนาและเกิดรอยแตกหน้าผิวกรองได้ ▪ ทาให้เกิดการกรองแบบ Cake Filtration ซึ่งมีประสิทธิภาพต่ า ▪ เครื่องกรองจะอุ ดตันเร็ว ▪ ระยะเวลาการใช้งานกรองจะสัน ้ ▪ หาก SS หรือ floc สามารถแทรกตัวเข้าไปในชัน ้ กรองจะทาให้การกรองเป็นลักษณะ Deep Bed Filtration ได้ แต่ก็จะยังคงลักษณะ Cake Filtration อยู่ ▪ ถ้ามีการใช้สารกรอง “ผสม” หรือสารกรอง “คู่” ปัญหาการอุ ดตันผิวหน้าจะลดน้อยลงมาก 55 ปัญหาในการกรอง 2. ระยะเวลาการกรองสัน ้ ▪ นัน ่ คือมี Head Loss เพิม ่ ขึ้นอย่างรวดเร็ว ▪ กรณีที่น้าดิบเข้ามีความขุน ่ มากกว่าปกติ แต่ความสามารถในการดักจับตะกอน ของชัน ้ สารกรองเท่าเดิม ทาให้เกิดการอุ ดตันได้เร็วขึ้น ▪ กรณีเกิดเมือกหรือตะไคร่จบ ั บนเม็ดสารกรอง 56 ปัญหาในการกรอง 3. น้าที่กรองได้มค ี วามขุน ่ ติดออกมา ▪ อาจเกิดจาก floc หรือ ตะกอนแทรกตัวลงไปในเนื้อสารกรองลึกมากเกินควร ทาให้มี โอกาสที่จะหลุดไปกับน้าที่กรองได้ ▪ คุณภาพน้าที่ได้จะต่ากว่าที่ต้องการและอายุการใช้งานกรองก็จะสัน ้ ด้วย ▪ แก้ได้โดยการเปลี่ยนชนิดของสารกรองให้เหมาะสมกับสภาพการกรอง 57 ปัญหาในการกรอง 4. มีเศษดิน โคลน อยูบ ่ นผิวหน้าของชัน ้ สารกรอง ▪ อาจเกิดจากการทาความสะอาดสารกรองไม่ดีพอ ▪ พวกตะกอนต่าง ๆ ที่กรองไว้บนผิวหน้าชัน ้ กรอง จะมีสภาพเป็นโคลนหรือเศษดิน รวมตัวกันเป็นกลุ่ม ก้อนใหญ่ข้น ึ ▪ เมื่อทาการล้างกลับ เม็ดดิน โคลนเหล่านีจ ้ ะแทรกตัวจมอยูใ่ นชัน ้ สารกรอง ทาให้สารกรองอุ ดตัน ▪ ทาให้ชน ั้ สารกรองมีการหดตัวและแตกแยกออกได้ อีกทัง ้ Head loss เพิม ่ สูงขึ้น ▪ ควรรักษาปริมาณโคลนให้มป ี ริมาตร < 0.1% เสมอ หากเกิน 0.2% ควรทาการล้างสารกรอง ▪ การล้างกลับ ให้มี flowrate = 20 GPM/ft2 58 ปัญหาในการกรอง 5. มีทรายรัว่ ไปกับน้ ากรอง ▪ เกิดจากชัน้ กรวดที่รองรับชัน้ ทรายอยูม ่ ก ี ารเคลื่อนที่ หรือมีขนาดเล็กลงจนทรายไป บนอยูใ่ นชัน ้ กรวด และรัว่ ไหลออกไป ▪ ควรหาชัน ้ กรวดที่มข ี นาดเหมาะสมมาเป็นชัน ้ รองรับชัน ้ ทราย 59 ปัญหาในการกรอง 6. การสูญเสียสารตัวกรอง ▪ ถ้าหากชัน ้ บนสุดของชัน ้ สารกรองเป็นแอนทราไซต์หรือ ถ่านกัมมันต์ ▪ ในการล้างกลับถ้า Backwash flowrate สูง จะทาให้ชน ั้ สารกรองขยายตัวมาก โอกาสที่ถ่านซึ่งมีน้าหนักเบาจะ หลุดลอยไปกับน้า Backwash มีมากขึ้น ▪ แก้ไขโดย ▪ ให้ขยายระยะห่างระหว่างระดับบนสุดของชัน ้ สารกรองที่ ขยายตัวแล้วให้เพิม ่ ขึ้น (นัน ่ คือห่างจากท่อบนสุดมาก ยิง ่ ขึ้น) ▪ หรือ ลด Backwash Flowrate และใช้อากาศช่วยเป่า กวนในขณะที่ Backwash 1-2 นาที 60 ปัญหาในการกรอง 6. การสูญเสียสารตัวกรอง Video Link 61 Rapid sand filtration and its backwashing process 62 Content ▪ การกรอง (Filtration) ▪ กลไกของการกรอง ▪ สารกรอง (Filter Media) ▪ รูปแบบของระบบการกรอง ▪ ชนิดของเครื่องกรอง ▪ ประสิทธิภาพในการกรอง ▪ ปัญหาในการกรอง ▪ ค่าการออกแบบ ▪ การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน 63 ค่าการออกแบบ 1. เกณฑ์แนะนาในการออกแบบถังทรายกรองช้า 2. ข้อดีขอ ้ เสียของถังทรายกรองช้า 3. ข้อเปรียบเทียบลักษณะทัว่ ไประหว่างถังทรายกรองเร็วและถังทรายกรองช้า 64 ค่าการออกแบบ 1. เกณฑ์แนะนาในการออกแบบถังทรายกรองช้า 65 ค่าการออกแบบ 1. เกณฑ์แนะนาในการออกแบบถังทรายกรองช้า 66 ค่าการออกแบบ 2. ข้อเปรียบเทียบระหว่างถังทรายกรองเร็วและถังทรายกรองช้า 67 ค่าการออกแบบ 2. ข้อเปรียบเทียบระหว่างถังทรายกรองเร็วและถังทรายกรองช้า 68 ค่าการออกแบบ 3. ข้อดีและข้อเสียของถัง ทรายกรองช้า 69 Content ▪ การกรอง (Filtration) ▪ กลไกของการกรอง ▪ สารกรอง (Filter Media) ▪ รูปแบบของระบบการกรอง ▪ ชนิดของเครื่องกรอง ▪ ประสิทธิภาพในการกรอง ▪ ปัญหาในการกรอง ▪ ค่าการออกแบบ ▪ การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน 70 การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน ▪ Backwashing เพื่อทาความสะอาดถังกรองเมื่อเกิด การอุ ดตัน หรือลดการสะสมของเชื้อโรคในถังกรอง โดยทัว่ ไปจะทาความสะอาดเมื่อ Head loss ในถังกรองสูงกว่าค่าพิกัด Head ที่ออกแบบไว้ ค่าความขุน ่ ในน้ าที่ผ่านการกรองสูงกว่าเกณฑ์ที่ยอมรับได้ เมื่อเดินระบบถึงระยะเวลาสูงสุดที่ต้องทาความสะอาด 71 การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน ▪ Backwashing Flowrate จุดประสงค์เพื่อกาจัดฝุ่นและตะกอนที่สะสมในชัน ้ กรอง Flowrate ต้องเพียงพอในการยกชัน ้ ของสารกรองขึ้น Flowrate ต้องไม่มากเกินที่จะทาให้สารกรองหลุดออกไปจากระบบ Backwash Flowrate ขึ้นกับ ขนาดของสารตัวกรอง ชนิดของสารตัวกรองหรือความถ่วงจาเพาะของสารกรองนัน ้ ๆ 72 การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน ▪ Backwashing Flowrate คานวณได้ดังนี้ 1/3 UbT = Ub20 ∙ μT สาหรับทรายคัดขนาด โดยที่ Ub20 = Backwash rate at 20C, m/min Ub20 = 10d60 UbT = Backwash rate at temperature, m/min μT = Absolute viscosity at temperature, Ns/m2 สาหรับถ่านแอนทราไซต์ Ub20 = 4.7d60 73 การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน ▪ Backwashing Flowrate กรณีที่ถังกรองมีขนาดค่อนข้างใหญ่ สามารถใช้อากาศช่วยยกชัน ้ สารกรองในการ Backwash เพื่อประหยัดน้าและลดปริมาณน้าเสียที่จะเกิดขึ้น 74 การทาความสะอาดชัน ้ กรองหรือการล้างย้อน ▪ Backwashing vs Media ในระบบที่มสี ารตัวกรอง 2 ชนิดขึ้นไป การล้างย้อนโดยไม่ให้สารตัวกรองหลุดออกจากระบบ ควร เลือกให้ Settling velocity ของสารตัวกรองไม่แตกต่างกันมาก การคานวณขนาดของสารตัวกรอง โดยใช้สมการของ Newton หรือ Stoke ที่กาหนดให้มี Settling Velocity เท่ากัน สามารถคานวณได้ดังนี้ 𝟐/𝟑 𝐬𝐠𝟏 − 𝟏 𝐝𝟐 = 𝐝𝟏 𝐬𝐠𝟐 − 𝟏 โดยที่ d2 คือ Effective Size ของตัวกรองที่มี specific gravity = Sg2, mm d1 คือ Effective Size ของตัวกรองที่มี specific gravity = Sg1, mm 75 HOMEWORK #1 งานเดี่ยว ส่งใน E-LEARNING เป็น PDF FILE สามารถเขียน หรือพิมพ์ก็ได้ 76 HomeWork : Filtration #1 จากคุณสมบัติทรายกรองชนิดหนึ่ง Sieve Size (mm) Percent Passing 0.30 2 0.42 10 0.60 36 0.84 60 1.00 80 1. ให้คานวณ Backwashing Rate เมื่ออุ ณหภูมน ิ ้าเท่ากับ 30C โดยที่ Absolute Viscosity ของ น้าที่ 30C = 0.798 x 10-3 Ns/m2 (หรือ kgm/s) 77 HomeWork : Filtration #1 2. ต้องการใช้ Dual Media Filtration โดยสารตัวกรองแรกคือทรายกรอง มีคณ ุ สมบัติดังนี้ ▪ Effective Size 0.42 mm ▪ Specific Gravity 2.65 เลือกใช้ Anthracite ไว้ชน ั้ บน ซึ่งมี Specific Gravity 1.55 ถามว่าควรใช้ Anthracite ที่มี Effective Size ขนาดเท่าไหร่ ด้วยหลักการให้มี Settling Velocity เท่า ๆ กัน เพื่อป้องกันไม่ให้สารตัวกรองหลุดออกจากระบบในขัน้ ตอน Backwashing 78 TO BE CONTINUED 79