Chlorine disinfection system ระบบฆ่าเชื้อโรคด้วยคลอรีน

การออกแบบระบบเติมคลอรีนและ De-chlorination System

เป้าหมายของระบบ

Chlorination (เติมคลอรีน): ฆ่าเชื้อ ควบคุมจุลชีพ ลด slime/biofilm ในถัง/ท่อ และรักษา residual ในระบบจ่าย
De-chlorination (ขจัดคลอรีน): กำจัดคลอรีนอิสระ/รวมก่อนเข้ากระบวนการที่ไวต่อออกซิแดนท์ เช่น RO, UF/MF, Resin, Carbon ที่ไม่ต้องการถูกออกซิไดซ์

ตัวเลือกสารเคมีคลอรีน

Sodium hypochlorite (NaOCl, น้ำยาฟอก): 10–15% w/w as available Cl2, ใช้งานง่าย ปลอดกว่าก๊าซ
Calcium hypochlorite (Ca(OCl)2, ผง/เม็ด): ~65–70% available Cl2, ต้องละลายน้ำและกรองตะกอน
Chlorine gas (Cl2): CapEx/OpEx ต่ำต่อหน่วยคลอรีน แต่ต้องระบบความปลอดภัยสูง (gas room, scrubber)

หมายเหตุ: เมมเบรน RO/polyamide เสียหายได้ที่ free Cl2 เพียงร่องรอย ⇒ เป้าหมายก่อนเข้า RO คือ 0.00–0.05 mg/L as Cl2 (มักตั้งเป็น 0.00)

พื้นฐานสมการและคำจำกัดความ

1) ปริมาณคลอรีนที่ต้องการ (mg/L as Cl2)

Demand (ความต้องการของน้ำ) + Desired residual = Dose

2) Breakpoint chlorination

เติมจนข้าม “จุดสลายคลอรามีน” เพื่อให้ได้ free chlorine residual ที่เสถียร
ใช้ jar test ช่วยหาจุดเหมาะ (ขึ้นกับแอมโมเนีย/สารอินทรีย์)

3) CT (Concentration x Time) สำหรับฆ่าเชื้อ

CT (mg·min/L) = C (mg/L free Cl2) * T (min)
เลือก C และ T ให้ได้ CT ตามมาตรฐาน (ขึ้นกับ pH, temp, organism)
ในระบบอุตสาหกรรมทั่วไป: อ้างอิง guideline ภายใน + jar test

สมการออกแบบขนาดการ “เติมคลอรีน”

คิดโดสเป้าหมาย

คำนวณอัตราป้อนสาร (L/h) ของ NaOCl

โดยที่ Cstock (mg/L) = ความเข้มข้นคลอรีนในสารละลายสต็อก (as Cl2)

ตัวอย่าง:

Flow = 50 m3/h
Dose = 2.0 mg/L as Cl2
NaOCl 12% w/w ~ 120,000 mg/L as Cl2 (ประมาณ)

(จริงจะทำสต็อกเจือจาง เช่น 1–2% เพื่อความแม่นยำและควบคุมปั๊มง่ายขึ้น)

คำแนะนำ: ควร “เจือจางสต็อก” ให้อยู่ช่วงที่ปั๊มโดสทำงานนิ่ง เช่น 0.5–2% และใช้ปั๊มชนิด diaphragm หรือ peristaltic ที่ทนคลอรีน

จุดฉีด และการผสม (Mixing & Contact)

จุดฉีด: ในท่อส่วนที่มีความปั่นป่วน (Reynolds สูง) หรือหลัง static mixer
เวลาสัมผัส (Contact time): จัดถังพักหรือท่อคอนแทคให้ได้ T ตาม CT ที่กำหนด
หัวใจ: ต้องมี “การผสม” ภายในไม่กี่วินาทีหลังฉีด (flash mix) เพื่อไม่ให้เกิด under-dose บางจุด

การควบคุม (Control Strategy)

Flow-paced dosing: ปรับปั๊มตามอัตราการไหล (ใช้สัญญาณ 4–20 mA จากเครื่องวัดการไหล)
Residual feedback: ใช้เครื่องวัด free chlorine online + PID ควบคุมให้ได้ residual เป้าหมาย
ORP control: ใช้ ORP เป็นตัวแทนฤทธิ์ออกซิไดซ์ (เหมาะกรณีควบรวมฆ่าเชื้อ/ออกซิเดชัน แต่ต้องคาลิเบรทกับ free Cl2)

De-chlorination (การขจัดคลอรีน)

เหตุผล: ปกป้อง RO/UF/MF, Resin, Carbon, กระบวนการ downstream

ตัวเลือกสารเคมี (ลดคลอรีน):

Sodium metabisulfite (SMBS, Na2S2O5)
Sodium bisulfite (SBS, NaHSO3)
Sodium thiosulfate (Na2S2O3)
Sulfur dioxide (SO2) (อุตสาหกรรมบางประเภท)
Activated carbon (ดูดซับ/เร่งสลายคลอรีน)

แนวคิดการคำนวณโดส (แบบใช้งานได้จริง):

คำนวณจาก residual จริงที่วัดได้ (free or total chlorine)
ใช้ “สัดส่วนสโตอิชิโอเมตริกของผู้ผลิตสาร” เป็นค่าสัมประสิทธิ์ k (mg สาร/ mg Cl2)
เผื่อ safety factor 10–25% แล้ว fine-tune ด้วยเครื่องวัด residual/ORP

เนื่องจากสูตรปฏิกิริยาทางทฤษฎีและความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ในท้องตลาดแตกต่างกัน แนะนำให้ “ใช้ค่า k จาก TDS/CoA ของซัพพลายเออร์” และทำ jar test

แบบฟอร์มทั่วไป:

ค่าตัวอย่างที่พบในอุตสาหกรรม (อ้างอิงเชิงประสบการณ์):

SMBS (Na2S2O5): k ~ 1.7–2.8 mg per 1 mg Cl2
SBS (NaHSO3): k ~ 1.0–1.5 mg per 1 mg Cl2
Sodium thiosulfate: k ~ 2.0–2.5 mg per 1 mg Cl2

หมายเหตุ: ตัวเลขด้านบนเป็นช่วงใช้งานทั่วไปเพื่อเริ่มต้นปรับจูนเท่านั้น ควรยึด ค่า k ของผู้ผลิต เป็นหลัก

ตัวอย่างคำนวณเบื้องต้น (SMBS):

จากนั้นปรับจูนด้วย online analyzer ให้ได้ target 0.00–0.05 mg/L ก่อนเข้า RO

ตำแหน่งจุดเติมสารเคมีลดคลอรีน(De-chlorination inject)

ฉีดหลังจุดเติมคลอรีน และก่อนเข้า RO/UF/MF อย่างน้อย 10–30 วินาทีของเวลาผสม
ใช้ static mixer หรือโซน turbulence เพื่อลด overfeed ที่ไม่จำเป็น
วัด free Cl2/ORP หลังจุดฉีด ~5–10 เมตร หรือหลัง mixer อีกหนึ่งจุด

ชุดอุปกรณ์ระบบ (Skid & Piping)

ชุดเติมคลอรีน

ปั๊มโดส (chemical dosing pump) 1W+1S (duty/standby)
ถังสารพร้อม secondary containment
Injection quill (วัสดุ PVDF/CPVC/316L ตามความเข้ากันได้)
Static mixer หรือ high-shear tee
Online analyzer: free chlorine (amperometric), flow signal

ชุด De-chlorination

ปั๊มโดส 1W+1S
Analyzer: residual chlorine หรือ ORP
Interlock ป้องกัน underfeed/overfeed
Sample point และ vent/drain

วัสดุและความเข้ากันได้ (Materials Compatibility)

Hypochlorite กัดกร่อนโลหะทั่วไป: เหมาะกับ PVC/CPVC/PE/PVDF/FRP/316L (เลือกตามอุณหภูมิ/ความเข้มข้น)
หลีกเลี่ยงยางธรรมดา ใช้ EPDM, Viton กับคลอรีน
ท่อโลหะชุบสังกะสีไม่เหมาะกับคลอรีน

ความปลอดภัย (HSE)

เก็บสาร NaOCl หลีกเลี่ยงความร้อน/แสงแดด (สลายตัวเกิดคลอเรต)
ห้ามผสมกรดกับ NaOCl (เกิดก๊าซคลอรีน)
ห้องสารเคมีต้องมีระบายอากาศ, eyewash/shower, spill kit
ถัง/พื้นที่เก็บมี bund ป้องกันรั่ว

การทวนสอบและ Commissioning

เริ่มด้วย flow-paced + low gain PID และตั้ง high/low alarm
ทำ jar test เพื่อหาค่า demand และยืนยัน k จริงของการ de-chlorination
สร้าง SOP: sampling, analyzer calibration (รายสัปดาห์/รายเดือน)
บันทึกค่า: flow, dose, residual, ORP, pH, temp

ตัวอย่าง “สรุปแนวคิดตั้งต้น” (สำหรับน้ำประปาเข้า RO)

Target free Cl2 ก่อน RO: 0.00 mg/L
เติมคลอรีนในดิบ: 1.0–2.0 mg/L เพื่อคุมจุลชีพในถังดิบ/ท่อ
เวลาผสมคลอรีน (ก่อน dechlor): 5–10 นาที (มี flash mix)
Dechlor ด้วย SMBS: k ตั้งต้น 1.8 mg/mg, safety factor 10–20%
Online: flow-paced dosing + residual feedback (free Cl2) และ ORP monitor
Interlock: ถ้า analyzer เสีย ให้ลด feed ลงสู่ manual low set และแจ้งเตือน

สรุป

การออกแบบระบบเติมคลอรีนและ de-chlorination ที่ดีต้องพิจารณา คุณภาพน้ำ, ตำแหน่งจุดฉีด, การผสม, การควบคุมแบบ feedback, ความเข้ากันได้ของวัสดุ และความปลอดภัย
ตั้งต้นด้วยสมการโดสเรียบง่าย ปรับด้วย jar test และยึดค่าอ้างอิงจากผู้ผลิตสารเคมี/เครื่องมือ จากนั้นจูนด้วยข้อมูลหน้างานและเครื่องวัดออนไลน์ ระบบจะนิ่ง ปลอดภัย และปกป้องเมมเบรน/กระบวนการถัดไปได้อย่างยั่งยืน