สารเคมีบำบัดน้ำ: คู่มือฉบับสมบูรณ์เกี่ยวกับการทำน้ำให้บริสุทธิ์อย่างปลอดภัย

สารเคมีบำบัดน้ำที่จำเป็นและการประยุกต์

การบำบัดน้ำอาศัยสารเคมีเฉพาะเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อน ฆ่าเชื้อโรค และรับประกันการบริโภคที่ปลอดภัย หมวดหมู่หลักได้แก่ สารฆ่าเชื้อ (คลอรีน คลอรามีน โอโซน) สารตกตะกอน (สารส้ม เฟอร์ริกคลอไรด์) สารปรับ pH (มะนาว โซดาไฟ) และสารช่วยกรอง (ถ่านกัมมันต์ โพลีเมอร์) . การเลือกสารเคมีที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับคุณภาพแหล่งน้ำ เป้าหมายการบำบัด และข้อกำหนดด้านกฎระเบียบ

โดยทั่วไประบบน้ำของเทศบาลจะใช้วิธีการกั้นหลายชั้นร่วมกับการบำบัดด้วยสารเคมีหลายชนิด ในขณะที่การใช้งานในที่อยู่อาศัยอาจต้องการเพียงการฆ่าเชื้อขั้นพื้นฐานเท่านั้น การทำความเข้าใจการทำงานของสารเคมีแต่ละชนิด อัตราการจ่ายที่เหมาะสม และข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัย ช่วยให้มั่นใจได้ว่าน้ำมีประสิทธิผล โดยไม่สร้างความเสี่ยงต่อสุขภาพใหม่ๆ

สารเคมีฆ่าเชื้อเพื่อควบคุมเชื้อโรค

น้ำยาฆ่าเชื้อที่มีคลอรีนเป็นส่วนประกอบหลัก

คลอรีนยังคงเป็นสารฆ่าเชื้อในน้ำที่ใช้กันอย่างแพร่หลายทั่วโลก โดยมีจำหน่ายในรูปแบบหลักสามรูปแบบ ได้แก่ คลอรีนแบบก๊าซ (Cl₂) โซเดียมไฮโปคลอไรต์ (สารฟอกขาวเหลว) และแคลเซียมไฮโปคลอไรต์ (ผง) ความเข้มข้นของคลอรีนที่มีประสิทธิภาพอยู่ในช่วง 0.2 ถึง 1.0 มก./ลิตร สำหรับน้ำดื่ม โดยใช้เวลาสัมผัส 30 นาที ทำให้สามารถกำจัดเชื้อโรคได้ 99.9%

สารละลายโซเดียมไฮโปคลอไรต์ (ความเข้มข้น 5-15%) ปลอดภัยกว่าในการจัดการมากกว่าก๊าซคลอรีน และให้ผลลัพธ์การฆ่าเชื้อที่เหมือนกัน สำหรับสระว่ายน้ำขนาด 10,000 แกลลอนโดยประมาณ โซเดียมไฮโปคลอไรต์ 12.5% 3-4 ออนซ์ช่วยรักษาระดับคลอรีนที่เหมาะสม . อย่างไรก็ตาม คลอรีนจะก่อให้เกิดผลพลอยได้จากการฆ่าเชื้อ (DBP) เช่น ไตรฮาโลมีเทน เมื่อทำปฏิกิริยากับอินทรียวัตถุ ส่งผลให้โรงงานบางแห่งต้องค้นหาทางเลือกอื่น

คลอรามีนและสารฆ่าเชื้อทางเลือก

คลอรามีน (เกิดจากการผสมคลอรีนกับแอมโมเนีย) ให้การปกป้องสารตกค้างในระบบจำหน่ายที่ยาวนานขึ้นและสร้าง ผลพลอยได้จากการฆ่าเชื้อน้อยกว่าคลอรีนเพียงอย่างเดียว . ปัจจุบันระบบสาธารณูปโภคด้านน้ำของสหรัฐฯ กว่า 30% ใช้คลอรามีนเป็นสารฆ่าเชื้อลำดับที่สอง แม้ว่าจะต้องใช้อัตราส่วนแอมโมเนียต่อคลอรีนอย่างระมัดระวัง (โดยทั่วไปคือ 1:4 ถึง 1:5) เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาด้านรสชาติและกลิ่น

โอโซน (O₃) ให้พลังออกซิเดชันที่เหนือกว่า และไม่ทิ้งสารเคมีตกค้าง ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตน้ำดื่มบรรจุขวด รังสียูวีให้การฆ่าเชื้อโดยปราศจากสารเคมี แต่ต้องมีการกรองล่วงหน้าและไม่มีการป้องกันสารตกค้าง แต่ละวิธีเหมาะสมกับการใช้งานที่แตกต่างกัน โดยขึ้นอยู่กับคุณภาพน้ำ ระดับการบำบัด และข้อกำหนดด้านกฎระเบียบ

สารจับตัวเป็นก้อนและจับตัวเป็นก้อน

สารตกตะกอนปฐมภูมิ

สารตกตะกอนจะทำให้ประจุไฟฟ้าของอนุภาคแขวนลอยเป็นกลาง ทำให้พวกมันจับตัวกันเป็นก้อนเพื่อการกำจัดที่ง่ายขึ้น อะลูมิเนียมซัลเฟต (สารส้ม) เป็นสารตกตะกอนที่พบมากที่สุด โดยมีอัตราการจ่ายโดยทั่วไปอยู่ที่ 10-50 มก./ลิตร ขึ้นอยู่กับระดับความขุ่น . เฟอร์ริกคลอไรด์และเฟอร์ริกซัลเฟตทำงานอย่างมีประสิทธิภาพในช่วง pH ที่กว้างขึ้น (4-11) เมื่อเทียบกับช่วงที่เหมาะสมที่สุดของสารส้มที่ 6-8

โพลีเมอร์ตกตะกอน

โพลีเมอร์สังเคราะห์ช่วยเพิ่มการก่อตัวของก้อนและอัตราการตกตะกอนเมื่อเติมหลังสารตกตะกอนปฐมภูมิ โพลีเมอร์ประจุบวกทำงานได้ดีที่สุดกับอนุภาคที่มีประจุลบ ในขณะที่โพลีเมอร์ประจุลบเหมาะกับสารปนเปื้อนที่มีประจุบวก ปริมาณโพลีเมอร์โดยทั่วไปอยู่ในช่วงตั้งแต่ 0.1 ถึง 2.0 มก./ลิตร ต่ำกว่าสารตกตะกอนหลักอย่างมีนัยสำคัญ ลดต้นทุนสารเคมีและปริมาณตะกอนได้มากถึง 30%

การปรับ pH และการควบคุมความเป็นด่าง

การรักษาระดับ pH ที่เหมาะสม (โดยทั่วไปคือ 6.5-8.5 สำหรับน้ำดื่ม) ช่วยให้มั่นใจในประสิทธิภาพการบำบัดสารเคมีและป้องกันการกัดกร่อนของท่อ มะนาว (แคลเซียมไฮดรอกไซด์) และโซดาแอช (โซเดียมคาร์บอเนต) เพิ่ม pH ในน้ำที่เป็นกรด ในขณะที่กรดซัลฟิวริกหรือคาร์บอนไดออกไซด์ลด pH ในสภาวะที่เป็นด่าง น้ำที่มีฤทธิ์กัดกร่อนที่มีค่า pH ต่ำกว่า 6.5 สามารถชะล้างสารตะกั่วออกจากท่อได้ ส่งผลกระทบต่อบ้านเรือนในสหรัฐฯ มากถึง 10 ล้านหลัง .

โซดาไฟ (โซเดียมไฮดรอกไซด์) ช่วยให้สามารถปรับ pH ได้อย่างรวดเร็ว แต่ต้องมีการจัดการอย่างระมัดระวังเนื่องจากมีฤทธิ์กัดกร่อน สำหรับการทำให้น้ำกระด้างอ่อนตัวลง การให้ปูนขาวเป็นไปตามสูตร: ปูนขาวที่ต้องการ (มก./ลิตร) = 1.4 × ความกระด้างทั้งหมด (มก./ลิตรในรูปของ CaCO₃) . ระบบควบคุม pH อัตโนมัติจะรักษาระดับที่เหมาะสมภายใน ±0.1 หน่วย pH ซึ่งจำเป็นสำหรับประสิทธิภาพการบำบัดที่สม่ำเสมอ

ถ่านกัมมันต์และสารดูดซับ

ถ่านกัมมันต์จะกำจัดสารประกอบอินทรีย์ คลอรีน รส และกลิ่นผ่านการดูดซับ ถ่านกัมมันต์ชนิดเม็ด (GAC) มีอายุการใช้งาน 6-24 เดือนก่อนที่จะต้องเปลี่ยนใหม่ ในขณะที่ถ่านกัมมันต์ชนิดผง (PAC) ให้ปริมาณที่ยืดหยุ่นสำหรับปัญหารสชาติและกลิ่นตามฤดูกาล GAC สามารถกำจัดคลอรีนและสารปนเปื้อนอินทรีย์ได้มากกว่า 90% เมื่อมีขนาดที่เหมาะสม โดยมีเวลาติดต่อโดยทั่วไปประมาณ 10-20 นาที

การคัดเลือกคาร์บอนขึ้นอยู่กับสารปนเปื้อนเป้าหมาย: คาร์บอนจากกะลามะพร้าวมีประสิทธิภาพในการกำจัดโมเลกุลขนาดเล็ก เช่น คลอรีน ในขณะที่คาร์บอนจากถ่านหินจะจัดการกับสารประกอบอินทรีย์ที่มีขนาดใหญ่กว่าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า สื่อเฉพาะทาง เช่น เรซินแลกเปลี่ยนไอออนมุ่งเป้าไปที่ไอออนเฉพาะ (ไนเตรต สารหนู ความกระด้าง) ซึ่งต้องการการสร้างใหม่ด้วยสารละลายเกลือหรือกรดทุกๆ 300-3,000 เตียง

เคมีบำบัดเฉพาะทาง

สารยับยั้งการกัดกร่อนและตะกรัน

สารประกอบออร์โธฟอสเฟตและโพลีฟอสเฟตป้องกันการกัดกร่อนของท่อและตะกรันแร่ ซิงค์ออร์โธฟอสเฟตสร้างฟิล์มป้องกันภายในท่อ ลดการชะล้างของตะกั่วและทองแดง 50-90% ในระบบจำหน่าย . อัตราการจ่ายโดยทั่วไป 0.5-3.0 มก./ลิตร โดยเป็นการควบคุมการกัดกร่อนของฟอสเฟตให้สมดุลโดยหลีกเลี่ยงการปล่อยฟอสเฟตมากเกินไป

สารเคมีฟลูออไรด์

กรดฟลูออโรซิลิก โซเดียมฟลูออไรด์ และโซเดียมฟลูออโรซิลิเกตจะเติมฟลูออไรด์เพื่อป้องกันฟันผุ CDC แนะนำ ความเข้มข้นของฟลูออไรด์ 0.7 มก./ลิตร สำหรับระบบน้ำชุมชน ลดลงจากช่วง 0.7-1.2 มก./ลิตรก่อนหน้านี้ เพื่อลดความเสี่ยงของการเกิดฟลูออโรซิสโดยยังคงรักษาคุณประโยชน์ทางทันตกรรม ระบบน้ำชุมชนมากกว่า 73% ของสหรัฐอเมริกาที่ให้บริการแก่ผู้คน 211 ล้านคน เติมฟลูออไรด์

สาหร่ายและสารออกซิแดนท์

คอปเปอร์ซัลเฟตควบคุมสาหร่ายในอ่างเก็บน้ำที่ความเข้มข้น 0.1-1.0 มก./ลิตร แม้ว่าข้อกังวลด้านสิ่งแวดล้อมจะจำกัดการใช้งานก็ตาม โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตออกซิไดซ์เหล็ก แมงกานีส และไฮโดรเจนซัลไฟด์พร้อมทั้งฆ่าเชื้อโรคได้ กระบวนการออกซิเดชันขั้นสูงโดยใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์รวมกับรังสียูวีหรือโอโซนจะทำลายยาและสิ่งรบกวนต่อมไร้ท่อได้อย่างมีประสิทธิภาพ อัตราการกำจัดเกิน 95% .

เกณฑ์การคัดเลือกสารเคมีและข้อควรพิจารณา

การเลือกสารเคมีบำบัดน้ำที่เหมาะสมจำเป็นต้องวิเคราะห์คุณภาพน้ำจากแหล่งผ่านการทดสอบที่ครอบคลุม พารามิเตอร์หลักได้แก่ ความขุ่น pH ความเป็นด่าง ความแข็ง เหล็ก แมงกานีส ของแข็งที่ละลายได้ทั้งหมด และปริมาณทางจุลชีววิทยา ก การทดสอบขวด จำลองกระบวนการบำบัด กำหนดประเภทและปริมาณสารตกตะกอนที่เหมาะสมที่สุดก่อนการใช้งานเต็มรูปแบบ

ปัจจัยทางเศรษฐกิจมีอิทธิพลอย่างมากต่อการเลือกใช้สารเคมี:

• ค่าสารเคมีต่อปอนด์หรือแกลลอน รวมค่าขนส่งและการเก็บรักษา
• ประสิทธิภาพในการจ่าย (ต้องใช้สารเคมีจริงเทียบกับข้อกำหนดทางทฤษฎี)
• ต้นทุนการจัดการและกำจัดตะกอนจากกระบวนการจับตัวเป็นก้อน
• ข้อกำหนดของอุปกรณ์สำหรับการจัดเก็บ การป้อน และการตรวจสอบสารเคมี
• ต้นทุนการปฏิบัติตามกฎระเบียบและข้อกำหนดการรายงาน

การประเมินผลกระทบสิ่งแวดล้อมรวมถึงการก่อตัวของผลพลอยได้ ขีดจำกัดใบอนุญาตปล่อยทิ้ง และผลกระทบต่อระบบนิเวศในระยะยาว โรงงานต่างๆ นิยมใช้สารเคมีที่ลดการผลิตตะกอนให้เหลือน้อยที่สุด และหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนถาวรในสารตกค้างจากการบำบัด

โปรโตคอลการจัดการและการจัดเก็บที่ปลอดภัย

ข้อกำหนดในการจัดเก็บ

สารเคมีบำบัดน้ำต้องการสภาวะการเก็บรักษาที่เฉพาะเจาะจงเพื่อรักษาประสิทธิภาพและป้องกันอันตราย ก๊าซคลอรีนต้องใช้อาคารที่มีการระบายอากาศแยกต่างหากพร้อมระบบตรวจจับการรั่วไหลและเครื่องฟอกฉุกเฉิน สารเคมีเหลวต้องมีการกักเก็บสำรอง 110% ของปริมาตรถังที่ใหญ่ที่สุด เพื่อป้องกันการปล่อยสิ่งแวดล้อมระหว่างการรั่วไหลหรือถังขัดข้อง

การควบคุมอุณหภูมิช่วยยืดอายุการเก็บสารเคมี: โซเดียมไฮโปคลอไรต์สลายตัวเร็วขึ้น 50% ที่ 90°F เทียบกับ 70°F โดยสูญเสียคลอรีนที่มีอยู่ 2-4% ทุกเดือนภายใต้สภาวะที่อบอุ่น การหมุนเวียนสินค้าคงคลังที่เหมาะสมโดยใช้หลักการเข้าก่อนออกก่อน (FIFO) จะช่วยป้องกันการใช้สารเคมีที่เสื่อมคุณภาพซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการรักษา

อุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคลและความปลอดภัย

ผู้ปฏิบัติงานต้องสวม PPE ที่เหมาะสมเมื่อต้องจัดการกับสารเคมีเข้มข้น:

• ถุงมือกันสารเคมี (ไนไตรล์ นีโอพรีน หรือพีวีซี ขึ้นอยู่กับสารเคมี)
• แว่นตานิรภัยหรือกระบังหน้าเพื่อป้องกันน้ำกระเซ็น
• ผ้ากันเปื้อนหรือชุดกันกรดสำหรับจัดการกับสารกัดกร่อน
• อุปกรณ์ป้องกันระบบทางเดินหายใจเมื่อทำงานกับก๊าซคลอรีนหรือสารเคมีระเหย
• สถานีล้างตาฉุกเฉินภายใน 10 วินาทีจากพื้นที่จัดการสารเคมี

ห้ามผสมสารเคมีโดยไม่มีขั้นตอนที่เหมาะสม การผสมคลอรีนกับกรดจะทำให้เกิดก๊าซคลอรีนที่เป็นอันตรายถึงชีวิต ในขณะที่การผสมคลอรีนกับแอมโมเนียโดยไม่มีอัตราส่วนที่เหมาะสมจะทำให้เกิดไอคลอรามีนที่เป็นพิษ เอกสารข้อมูลความปลอดภัย (SDS) จะต้องยังคงเข้าถึงได้สำหรับสารเคมีทั้งหมด รายละเอียดอันตราย การปฐมพยาบาล และขั้นตอนการตอบสนองต่อการรั่วไหล

การตรวจสอบและการควบคุมปริมาณ

การจ่ายสารเคมีที่แม่นยำจะช่วยป้องกันการรักษาน้อยเกินไป (การกำจัดเชื้อโรคไม่เพียงพอ) และการรักษามากเกินไป (การละเมิดกฎระเบียบ ปัญหาเกี่ยวกับรสชาติ สารเคมีที่สูญเปล่า) สิ่งอำนวยความสะดวกสมัยใหม่ใช้ระบบอัตโนมัติพร้อมเซ็นเซอร์แบบเรียลไทม์เพื่อตรวจวัดคลอรีนตกค้าง pH ความขุ่น และอัตราการไหล ระบบจ่ายสารเคมีตามสัดส่วนจะปรับอัตราการป้อนสารเคมีโดยอัตโนมัติตามการไหลของน้ำ โดยรักษาการรักษาที่สม่ำเสมอแม้ว่าความต้องการจะผันผวนก็ตาม

การสอบเทียบเป็นประจำช่วยให้มั่นใจในความแม่นยำในการวัด: เครื่องวิเคราะห์คลอรีนต้องมีการตรวจสอบรายสัปดาห์โดยใช้มาตรฐานการวัดสี DPD ในขณะที่หัววัดค่า pH ต้องมีการสอบเทียบรายเดือนด้วยสารละลายบัฟเฟอร์ ผู้ปฏิบัติงานควรทำการทดสอบขวดทุกไตรมาสเพื่อตรวจสอบปริมาณสารตกตะกอนที่เหมาะสม เนื่องจากคุณภาพน้ำดิบจะแตกต่างกันไปตามฤดูกาลตามปริมาณฝน อุณหภูมิ และกิจกรรมของลุ่มน้ำ

จุดตรวจสอบที่สำคัญ ได้แก่ :

1. ลักษณะน้ำดิบก่อนเติมสารเคมี
2. จุดฉีดสารเคมีเพื่อการตรวจสอบการผสมที่เหมาะสม
3. ตัวอย่างหลังการบำบัดที่ยืนยันพารามิเตอร์เป้าหมาย
4. ตัวอย่างระบบการกระจายเพื่อให้มั่นใจว่ามีการป้องกันสารตกค้าง

การปฏิบัติตามกฎระเบียบและเอกสารประกอบ

พระราชบัญญัติน้ำดื่มที่ปลอดภัย (SDWA) กำหนดระดับสารปนเปื้อนสูงสุด (MCL) และข้อกำหนดเทคนิคการบำบัดที่กำหนดการใช้สารเคมี ระบบน้ำสาธารณะต้องบำรุงรักษา ตรวจพบสารฆ่าเชื้อที่ตกค้างใน 95% ของตัวอย่างการจำหน่ายรายเดือน โดยมีคลอรีนตกค้างโดยทั่วไประหว่าง 0.2-2.0 มก./ลิตรที่ก๊อกของลูกค้า

การรับรองมาตรฐาน NSF/ANSI 60 ช่วยให้มั่นใจได้ว่าสารเคมีบำบัดน้ำไม่ก่อให้เกิดสารปนเปื้อนที่เป็นอันตราย เฉพาะสารเคมีที่ได้รับการรับรองจาก NSF เท่านั้นที่ควรสัมผัสกับน้ำดื่ม เนื่องจากผลิตภัณฑ์ที่ไม่ผ่านการรับรองอาจมีสิ่งเจือปนเกินขีดจำกัดด้านสุขภาพ ผู้ปฏิบัติงานจะต้องจัดทำเอกสารการจัดส่งสารเคมี การใช้งานรายวัน และดูแลรักษาบันทึกการบำบัดสำหรับการตรวจสอบตามกฎระเบียบและการรายงานการปฏิบัติตามข้อกำหนด

กฎผลพลอยได้จากการฆ่าเชื้อจะจำกัดปริมาณไตรฮาโลมีเทนทั้งหมดไว้ที่ 80 มก./ลิตร และกรดฮาโลอะซิติกไป 60 มก./ลิตร เป็นค่าเฉลี่ยรายปี ระบบที่เกินขีดจำกัดเหล่านี้จะต้องปรับเปลี่ยนกระบวนการบำบัด อาจเปลี่ยนจากคลอรีนเป็นคลอรามีน ปรับการแข็งตัวเพื่อกำจัดสารตั้งต้นที่เป็นสารอินทรีย์ หรือติดตั้งการกรอง GAC การละเมิดต้องได้รับการแจ้งต่อสาธารณะภายในระยะเวลาที่กำหนดและยื่นแผนการดำเนินการแก้ไขไปยังหน่วยงานกำกับดูแล

เทคโนโลยีเกิดใหม่และแนวโน้มในอนาคต

กระบวนการออกซิเดชันขั้นสูง (AOP) ที่รวมแสงยูวีเข้ากับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์หรือโอโซนจะทำลายสารปนเปื้อนที่สารเคมีทั่วไปไม่สามารถกำจัดออกได้ ระบบเหล่านี้บำบัดสารปนเปื้อนที่เกิดขึ้นใหม่ เช่น PFAS (สารต่อและโพลีฟลูออโรอัลคิล) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ อัตราการกำจัดเกิน 99% สำหรับสารประกอบบางชนิด แม้ว่าต้นทุนเงินทุนจะยังคงสูงกว่าการรักษาแบบเดิมถึง 2-3 เท่าก็ตาม

การฆ่าเชื้อด้วยเคมีไฟฟ้าจะสร้างสารออกซิแดนท์จากสารละลายเกลือ ช่วยลดการขนส่งและการจัดเก็บสารเคมีอันตราย ระบบออกซิแดนท์แบบผสมจะผลิตคลอรีน โอโซน และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์พร้อมกัน ทำให้สามารถฆ่าเชื้อโรคได้ด้วยการสร้าง DBP ที่ลดลง ระบบขนาดเล็กที่รองรับผู้คน 100-5,000 คนได้รับประโยชน์สูงสุดจากการผลิตที่ไซต์งาน ซึ่งลดต้นทุนการดำเนินงานลง 20-40% เมื่อเทียบกับสารเคมีที่ส่งมอบ

โครงการริเริ่มเคมีสีเขียวมุ่งเน้นไปที่การลดการใช้สารเคมีผ่านขบวนการบำบัดที่เหมาะสมและกระบวนการทางเลือก การกรองเมมเบรน (การกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน นาโนฟิลเตรชัน รีเวอร์สออสโมซิส) ทำให้เกิดอุปสรรคทางกายภาพในการขจัดเชื้อโรคและสิ่งปนเปื้อนโดยไม่ต้องเติมสารเคมี แม้ว่าต้องใช้ปั๊มที่ใช้พลังงานสูงและการทำความสะอาดสารเคมีเป็นระยะๆ ระบบไฮบริดที่รวมเมมเบรนเข้ากับการปรับสภาพน้ำด้วยสารเคมีน้อยที่สุด แสดงถึงอนาคตของการบำบัดน้ำอย่างยั่งยืน โดยลดการใช้สารเคมีในขณะที่เป็นไปตามมาตรฐานคุณภาพน้ำที่เข้มงวดมากขึ้น