1/28/2008

1

Introduction to WWTP design

ReferencesQasim, S.R. (1999) Wastewater Treatment Plants: Planning, Design, and Operation. Technomic Publishing Co. Inc.

Metcalf&Eddy (2004) Wastewater Engineering: Treatment and Reuse. McGraw Hillเกณฑแนะนําการออกแบบระบบรวบรวมนํ้าเสีย และโรงปรับปรุงคุณภาพนํ้าของชุมชน เลม1 (2546)

การคํานวณ โดยใชเกณฑแนะนําการออกแบบระบบรวบรวมนํ้าเสีย และโรงปรับปรุงคุณภาพนํ้าของชุมชน เลม3 (2546)3 (2546)

ลักษณะนํ้าเสียชุมชนของไทย ระดับของการบําบัด

ในการบําบัดนํ้าเสีย จะแบงลกัษณะการบําบัดเปน 3 สวน1) การบําบัดขางตน primary treatment

‐การดักดวยตะแกรง, การดักไขมัน ‐ การตกตะกอน กําจัดสารแขวนลอย (30‐50%) ‐ การฆาเชื้อโรค2) การบําบัดข้ันท่ีสอง secondary treatment‐ การยอยสลายดวยแบคทีเรีย

‐ การกําจัดสารอินทรีย ( 95%) และ nutrients (50‐60%) บางสวน3) การบําบัดข้ันท่ีสาม tertiary treatment‐ ปรับปรุงคุณภาพนํ้าเพื่อลดปริมาณสารอินทรียและ nutrients 

‐ การนํานํ้ากลับมาใชใหมดวยการกรองโดยใช Activated Carbon , Ion exchange, Wetland

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

2

Unit processes

Effluent discharged to water course

Influent wastewater

Preliminarytreatment;screens

Primary treatment;

sedimentation

Secondary treatment; biological process

Tertiary treatment; e.g. sand filtration,

Wetland,Nutrients removal,

Micro pollutants removal

water course

Biological treatment :‐Aerobic; require oxygen e.g. activated sludge, trickling filter, etc..‐Anaerobic; in the absence of oxygen e.g. Anaerobic digester, UASB, septic tank etc.

กระบวนการบําบัดน้ําเสีย

1. การบําบัดทางกายภาพ (physical Treatment)แยกของแข็งออกจากน้ํา หรือการแยกนํ้าออกจากน้ําเสีย

2 ํ ั ี (Ch i l T t t)

จําแนกเปนประเภทใหญๆได 3 ประเภท ไดแก

2. การบําบัดทางเคมี (Chemical Treatment) มักใชในการบําบัดน้าํเสียจากโรงงานอุตสาหกรรม หรือใชในการกําจัด

ส่ิงเจือปนในนํ้ากอนนาํไปใช

3. การบําบัดทางชวีภาพ (Biological Treatment) เปนการเลียนแบบกระบวนการที่เกิดข้ึนจรงิตามธรรมชาติ โดยเรง

ปฏิกิริยาใหเกิดเร็วข้ึน

1. การบําบัดทางกายภาพ (physical Treatment)

• ของแข็งขนาดใหญ • กรวด ทราย• ไขมนั น้ํามัน (ที่ไมละลายน้ํา) oils , fats, grease 

อุปกรณที่ใชบําบัดน้าํเสียทางกายภาพุ• ตะแกรงหยาบ ตะแกรงละเอียด (Screening)• ถังดักกรวดและทราย (Grit Chamber)• ถังดักไขมัน (oils separator, skimming tank, flotation tank)• ถังตกตะกอน (Primary sedimentation)

Location of physical units

Screening

Influent

Grit Removal Primary settling

Fl t ti

Equalizing tank

Biological process

Secondary settling

SludgeProcessing

Chlorine Contact chamber

Effluent

Flotation

(Disinfection)

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

3

Plant Layout Screening

• ติดตั้งเพื่อกําจัดวัตถุขนาดใหญที่ติดมากับน้าํเสีย เชน เศษผา กระดาษ พลาสติก โลหะ

• หากไมกําจัดวัตถุเหลานี้อาจกอใหเกิดผลเสียตอปม อุปกรณกําจัด Sludge ติดบน Weirs หรืออาจอดตันวาวล หรือระบบทอไดSludge ตดบน Weirs หรออาจอุดตนวาวล หรอระบบทอได

• Screening อาจแบงออกไดเปนแบบหยาบ และแบบละเอียด โดยอาจจะทําความสะอาดโดยใชแรงคน หรือโดยใชเคร่ืองกลก็ได

• สําหรับระบบบําบัดน้ําเสียชุมชน นิยมติดตั้ง Screening ไวกอนสถานีสูบ เพื่อกําจัดวัตถุที่อาจเปนอันตรายตอระบบปม (ดูรูปประกอบ)

Screening

lists Manual Automatic

Bar size, widthDepth

5‐15   mm25‐75 mm.

5‐15 mm25‐75 mm

Space 25‐50 mm 15‐75 mm

Coarse Screen : bar screen

Slope 45‐60 o 60‐90o

velocity 0.3‐0.6 m/s 0.6‐1.0 m/s

Fine Screen : ‐ Size 2.3‐6 mm‐ Remove algae, ss, pulp

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

4

ตําแหนงของ Screening ทีติ่ดต้ังกอนสถานีสูบ Grit Chamber

• ออกแบบเพ่ือ ให grit ตกตะกอน• ปองกันการสึกหรอของปม และอุปกรณตางๆในระบบ• นิยมตั้งไวถัดจาก Screening• นยมตงไวถดจาก Screening• มี 2 แบบ 1. Velocity‐controlled Grit Chamber2. Aerated Grit Chamber 

ถ.พ. 1.5 – 2.7

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

5

Primary Sedimentation(ถังตกตะกอนข้ันตน)

• จุดมุงหมายเพื่อกําจัดสารอินทรียที่ตกตะกอนได

• การตกตะกอนใน 1st Sedimentation เปนแบบ FlocculantSettling โดยอาศัยการชนกันของอนุภาค ทําใหมีมวลเพิ่มขึ้น และตกตะกอนไดเร็วขึ้น

• ลด SS ลงได 30‐40%• อาจมีการเติมสารเคมีเพื่อชวยในการรวมตัวของ Colloids หรือเพื่อกําจัดสารละลาย เชน P, โลหะหนัก

• Design parameters: overflow rate, HRT หาโดยการทําการทดลองตกตะกอนในระดับ Lab‐scale

Secondary Sedimentation(ถังตกตะกอนข้ันสุดทาย)

• จุดมุงหมายเพื่อกําจัดสารอินทรียที่ตกตะกอนไดกอนปลอยน้ําออกจากระบบ

• ขึ้นกับคุณสมบัติของน้าํเสีย

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

6

การออกแบบถังตกตะกอน • ขนาด (ก*ย*ล) ของถังตกตะกอนตองออกแบบใหสอดคลองกับขนาดอุปกรณที่ใช เชน อุปกรณกวาดตะกอน ของผูผลิต โดยมักจะออกแบบใหมีอยางนอย 2 ถัง เพื่อใหระบบสามารถทํางานไดหากตองมีการหยุดทํางานของถังตกตะกอนบางอัน

• Influent Structure: ตองออกแบบใหสามารถกระจายการไหลท่ัว ั โ ไ ใ ิ ไ ั ี h ี่สความกวางของถง โดยไมใหเกดการไหลลดวงจร และม hL นอยทสุด

• Effluent Structure: ออกแบบเพื่อใหการไหลออกเปนแบบ Uniform และลดการยกตัวของตะกอนใตถัง รวมถึงลดการหลุดออกของวัตถุลอยน้ํา

Flow Equalisation

• ใชเพื่อปองกันไมใหเกิดปญหาท่ีมีสาเหตุมาจากความแปรปรวนของอัตราไหลของน้ําเสีย ทําใหประสิทธิภาพของระบบดีขึ้น รวมถึงการลดขนาด และราคาของระบบบําบัดน้ําเสีย

• ตําแหนงของ Equalisation Basin สามารถติดตั้งใน Line การ• ตาแหนงของ Equalisation Basin สามารถตดตงใน Line การบําบัด หรือ ติดตั้งภายนอก (Off‐line) เพื่อผันน้ําเสียที่มีอัตราไหลมากกวาที่กําหนด (ดูรูปประกอบ)

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

7

การออกแบบ Equalisation Basin

• ปริมาตรของ Equalisation Basin ตองมีขนาดใหญกวาปริมาตรที่คํานวณได 10-20% เพราะความจําเปนที่ตองมีน้าํเสียคงคางในบอปริมาณหนึง่ และในกรณีทีม่ีการเวยีนกลับน้ําในขั้นตอนการบําบัด หรอืมีการเปล่ียนแปลงของการไหลของนํ้าเสีย การคํานวณปริมาตรตามทฤษฎดูีในรูปประกอบ

• ในกรณีที่ใชบอดิน ความชันของขอบบอควรอยระหวาง 3:1 และ 2:1 และตอง• ในกรณทใชบอดน ความชนของขอบบอควรอยูระหวาง 3:1 และ 2:1 และตองมีการปูพื้นบอเพ่ือปองกนัการปนเปอนของน้ําบาดาล

• Mixing และ Aeration มักจะจําเปนเพือ่ใหน้าํเสียมีการผสมอยางสม่ําเสมอ ไมใหมีการตกตะกอน และเพื่อปองกนักล่ินเหม็น พลังงานที่ตองการอยูระหวาง 0.004‐0.008kW/m3 อัตราการเติมอากาศควรอยูระหวาง 0.01‐0.015m3/m3.min  

Biological Wastewater Treatment Design

Metcalf&Eddy (2004) Wastewater Engineering: Treatment and Reuse. McGraw HillQasim, S.R. (1999) Wastewater Treatment Plants: Planning, Design, and 

Operation. Technomic Publishing Co. Inc.Qasim, S.R. (1985) Wastewater Treatment Plants: Planning, Design, and 

Operation. CBS Publishing Japan Ltd.

Influent

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

8

Biological treatment

COHNS + O2 + nutrientsbacteria

CO2 + NH3 + C5H7NO2 + other end-products( i tt ) ( ll )

แบงเปน Aerobic  และ Anaerobic

(organic matter) (new cells)

C5H7NO2 + 5O2

bacteria5CO2 + NH3 + 2H2O + energy

(cells)

COHNS + O2bacteria

CO2 + NH4 + C5H7NO2 + other end-products(organic matter) (new cells)

Biological treatment processes

Suspended Growth

Activated sludge

Anaerobic digestion

Attached Growth

Trickling filter

Rotating Biological contactor

Anaerobic filterO2

Anaerobic digestion

Waste stabilization pond

Anaerobic filter

‐ BiofilmCO2

ระบบ Activated Sludgeระบบตะกอนเรง‐ สลัดจ (Sludge) ฟลอค (Flocs)

• สภาพมีออกซิเจน

• ใชเคร่ืองจักรกลมาก คาใชจายสูง

• ประสิทธิภาพสูง ไมมีกลิ่นเหม็น ใชพื้นที่กอสรางนอย

• เหมาะกับการบําบัดน้าํเสียชุมชนหรือโรงงานอุตสาหกรรมในเขตเมือง

ประกอบดวย ถังเติมอากาศถังตกตะกอนระบบสูบตะกอนหมุนเวียนระบบสูบตะกอนสวนเกินระบบบําบัดตะกอนสวนเกิน

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

9

• ปริมาณจุลินทรีย วัดในรูปของแขง็แขวนลอย เรยีกวา mixed liquor suspended solids (MLSS)

• MLSS, DO, N, P, pH เปน พารามิเตอรทีสําคัญในการควบคุมระบบ

• ถามีปริมาณมากตองทําการ ระบายตะกอนสวนเกิน ( excess sludge)• ประสิทธิภาพของระบบยังขึ้นกับการทํางานของถังตกตะกอน

• ส ิ ศไ ั้ ใช ื่ ิ ศ (aeration) ใช• สามารถเตมอากาศไดทงการใชเครองเตมอากาศ (aeration) และการใชปมลม (Blower) มีหลายแบบ High speed, low speed, submersible aerator

• หัวกระจายลม (air diffuser) :fine bubble, medium bubble coarse bubble

หลักชลศาสตรของถงัแบงเปน 3 ประเภท1. Plug flow 2. Continuous‐flow‐stirred‐tank3. Arbitrary flow

ระบบตะกอนเรงมหีลายประเภท1. Conventional2. Step aeration3. Tapered aeration4. Continuous‐flow‐stirred‐tank5. Modified aeration6. Contact Stabilization7. Extended Aeration8. Oxidation Ditch9. Sequencing Batch reactor10. Aerated lagoon

Microbial Growth Kinetics Microbial Kinetics

SKkXSrs

su +−=

rsu=substrate utilisation rate, g/m3.dk=maximum specific substrate utilisation rate, g substrate/g microorganisms.d

rg=net biomass production rate, gVSS/m3.dkd=endogenous decay coefficient, gVSS/gVSS.d

XkYrr dsug −−=

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

10

Sludge Conditioning and Dewatering

Qasim, S.R. (1985) Wastewater Treatment Plants: Planning, Design, and Operation. CBS Publishing Japan Ltd.

Sludge‐Processing Systems

• Thickening

• Stabilisation or digestion

• Dewatering• Disposal

หนาที่ของ Sludge Thickener

• เพิ่มความเขมขนของ Solids และลดปริมาตรของ Sludge ซึ่งจะถูกสงผานไปยัง Sludge Treatment Units อื่น ๆ

• Thickened sludge ทําใหปริมาตร Units อื่น ๆ เชน Sludge Digester Dewatering Units มีขนาดเล็กลง Sludge Digester, Dewatering Units มขนาดเลกลง รวมถึงลดปริมาณสารเคมีที่ตองใช เชน Sludge conditionings และยังลดขนาดของทอ รวมถึงปมที่ตองใชในการสง Sludge ไปยัง Units อื่น ๆ

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

11

Gravity Thickening

•Deep trusses or vertical pickets are provided to gently stir the sludge blanket.

•Maximum solids concentration achieved ≤10%

Design Criteria for the Gravity Thickener

• Minimum surface area based on hydraulic (10‐30m3/m2.d) and solids loading

• คา Hydraulic loading ที่สูงทําใหมักจะตองมีการ Mix น้ํา Effluent กับ Sludge กอน Feed เขาส ThickenerEffluent กบ Sludge กอน Feed เขาสู Thickener

• ความลึก (Generally 3.0 m)

Dissolved Air Flotation (DAF)

• เหมาะสําหรับ Thicken Chemical และ Waste activated sludge

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

12

Sludge Stabilisation

Qasim, S.R. (1985) Wastewater Treatment Plants: Planning, Design, and Operation CBS Publishing Japan LtdOperation. CBS Publishing Japan Ltd.Qasim, S.R. (1999) Wastewater Treatment Plants: Planning, Design, and 

Operation. Technomic Publishing Co. Inc.

Introduction

• วัตถุประสงคของกระบวนการ Stabilisation คือ การลดจํานวน Pathogens, การกําจัดกลิ่น และควบคมุไมใหเกิดสภาวะเนาของสารอินทรีย

• สามารถทําไดโดยใชกระบวนการ Biological, Chemical, or gPhysical การเลือกกระบวนการขึ้นกับวิธกีําจัด Sludge ที่จะใช

• นิยมใชกระบวนการ (1) Anaerobic or Aerobic Digestion (2) Chemical oxidation or lime stabilisation (3) Thermal conditioning

Anaerobic Digestion

Hydrolysis Fermentation

(Acidogenesis)Methanogenesis

H2, CO2, Methanol, Methylamines

Methanogenic bacteria are highly active in the mesophilic (27‐43°C) and thermophilic (45‐65°C) ranges. 

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

13

Types of Anaerobic Digesters

30‐60d digestion period 10‐20d digestion period

Process Design and Control

• Digester Capacity

• Digester Heating and Temperature Control

• Mixing

• Gas Production and Utilisation

• Digester Cover

• Supernatant Quality• Sludge Characteristics

Digester Capacity (Volume)

• Digestion Period, SRT: ≥10d

• Volumetric loading

• Population basis

Design Criteria: Table 17‐1

• Observed volume reduction:

V=[Qin‐(2/3)(Qin‐Qout)]DT

• Kinetic coefficients: for anaerobic microorganisms

Digester Heating and Temperature Control

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

14

Digester Mixing Digester Cover

Aerobic Digestion

• เหมาะกับ Plant ขนาดเล็ก ดําเนินระบบเหมือน Activated Sludge

Other Sludge Stabilisation ProcessesOther Sludge Stabilisation Processes

Lime Stabilisation: เติมปูนขาวเพื่อเพิ่ม pH≥12

Heat Treatment: 140°-200°C

Design Example

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

15

Sludge Dewatering

• Sludge Dewatering จําเปนตองมีเพื่อกําจัดความชื้นออกจาก Sludge และสามารถกําจัดไดอยางเหมาะสม (e.g. composted, landfilled)

• ลักษณะสมบัติที่ยากตอการ Dewatering ของ Sludge คือ • ลกษณะสมบตทยากตอการ Dewatering ของ Sludge คอ ความละเอียด, Hydrated, และมีประจุ

• การเติมสารเคมี (Sludge Conditioning) เปนสิ่งจําเปนเพื่อ Destabilise Sludge ทําใหสามารถทาํ Dewatering ไดอยางมีประสิทธิภาพ

Sludge Dewatering

• การเลือก Techniques ขึ้นกบั 1) ลักษณะสมบัติของ Sludge 2) พื้นที่ 3) ความชื้นของ Sludge ที่ตองการ

• หากมีพื้นที่มากพอ และปริมาณ Sludge มีนอย ควรใช Natural dewatering systems e g Drying beds anddewatering systems, e.g. Drying beds and Drying lagoons

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

16

Chemical Conditioning

• Chemical conditioning มักจะตองทําเมื่อตองการDewater Sludge โดยใชเคร่ืองมือ เชน Vacuum filter, Filter press, etc.

• Inorganic Chemicals: Ferric chloride and lime• Inorganic Chemicals: Ferric chloride and lime• Organic Chemicals: Organic polymers

Drying Beds

A 0 14 0 28 2/ it f d b dArea: 0.14‐0.28m2/capita for uncovered beds

0.10‐0.20m2/capita for covered beds

Sludge loading rate: 100‐300kgDS/m2.year for uncovered beds

150‐400kgDS/m2.year for covered beds 

Dr.Mujalin Kumpugul

1/28/2008

17

Plate and Frame Filter Press Belt Filter Press

องคประกอบของระบบบําบัดนํ้าเสีย

Dr.Mujalin Kumpugul