เครื่องคำนวณ HRT - เวลากักเก็บทางไฮดรอลิกสำหรับระบบบำบัด

เวลากักเก็บทางชลศาสตร์คืออะไร?

เวลากักเก็บทางชลศาสตร์ (HRT) คือเวลาเฉลี่ยที่ของเหลวอยู่ภายในถัง บ่อ หรือเครื่องปฏิกรณ์ก่อนจะไหลออก วิศวกรใช้ค่านี้ในการกำหนดขนาดและตรวจสอบระบบบำบัด เช่น ถังตกตะกอนน้ำเสีย บ่อเติมอากาศ และถังตกตะกอนน้ำดื่ม HRT เรียกอีกอย่างว่าเวลาพักหรือเวลาพำนัก

ถังที่มี HRT สั้นจะระบายน้ำออกอย่างรวดเร็ว ถังที่มี HRT ยาวจะกักน้ำไว้นาน กระบวนการบำบัดส่วนใหญ่ เช่น การตกตะกอน การฆ่าเชื้อ หรือการย่อยสลายทางชีวภาพของของเสีย ต้องใช้เวลาอย่างน้อยช่วงหนึ่งจึงจะทำงานได้ HRT ช่วยบอกวิศวกรว่าถังให้เวลาแก่กระบวนการเพียงพอหรือไม่

สูตรคำนวณเวลากักเก็บทางชลศาสตร์

HRT เท่ากับปริมาตรของถังหารด้วยอัตราการไหลผ่านถัง

$\text{HRT} = \frac{V}{Q}$

• HRT คือเวลากักเก็บทางชลศาสตร์ โดยปกติวัดเป็นชั่วโมง
• V คือปริมาตรของถังหรือเครื่องปฏิกรณ์ โดยปกติวัดเป็นลูกบาศก์เมตร (m³)
• Q คืออัตราการไหลผ่านถัง โดยปกติวัดเป็นลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง (m³/h)

สูตรนี้สมมติให้อัตราการไหลคงที่และปริมาตรถังคงเดิม จึงให้ค่าเฉลี่ยทางทฤษฎี และไม่คำนึงถึงการไหลที่ไม่สม่ำเสมอภายในถัง ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป

หน่วย

เครื่องคำนวณนี้ใช้ลูกบาศก์เมตร (m³) สำหรับปริมาตร ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง (m³/h) สำหรับอัตราการไหล และชั่วโมงสำหรับผลลัพธ์ ในทางปฏิบัติยังใช้หน่วยอื่นได้เช่นกัน:

วิธีคำนวณเวลากักเก็บทางชลศาสตร์

1. หาปริมาตรของถังเป็นลูกบาศก์เมตร ใช้ปริมาตรส่วนที่กักเก็บน้ำจริงระหว่างทางเข้าและทางออก ไม่ใช่ปริมาตรจนถึงขอบถัง
2. หาอัตราการไหลผ่านถังเป็นลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง ใช้อัตราการไหลเฉลี่ยหรืออัตราการไหลที่ใช้ในการออกแบบ
3. นำปริมาตรหารด้วยอัตราการไหล ผลลัพธ์คือเวลากักเก็บทางชลศาสตร์เป็นชั่วโมง

ตัวเลขทั้งสองค่าต้องมากกว่าศูนย์ ถังที่ไม่มีปริมาตรหรือระบบที่ไม่มีการไหลจะไม่มีเวลากักเก็บที่มีความหมาย

ตัวอย่างการคำนวณ

ถังหนึ่งกักเก็บน้ำไว้ 100 m³ น้ำไหลผ่านถังด้วยอัตรา 10 m³ ต่อชั่วโมง

$\text{HRT} = \frac{100 \text{ m}^3}{10 \text{ m}^3/\text{h}} = 10 \text{ ชั่วโมง}$

น้ำอยู่ในถังโดยเฉลี่ย 10 ชั่วโมงก่อนจะไหลออก

ตัวอย่างที่สอง: ถังตกตะกอนขั้นต้นมีปริมาตร 200 m³ และรับน้ำด้วยอัตราการไหล 100 m³/ชั่วโมง

$\text{HRT} = \frac{200 \text{ m}^3}{100 \text{ m}^3/\text{h}} = 2 \text{ ชั่วโมง}$

สองชั่วโมงอยู่ในช่วง 1.5 ถึง 2.5 ชั่วโมงที่คู่มือการออกแบบระบุไว้สำหรับถังตกตะกอนขั้นต้น

ช่วง HRT ทั่วไปในระบบบำบัด

คู่มือการออกแบบระบุช่วงค่าคร่าว ๆ สำหรับกระบวนการทั่วไป ค่าจริงขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะของน้ำเสียหรือแหล่งน้ำ กฎระเบียบในพื้นที่ และอุปกรณ์

HRT ที่สั้นอาจทำให้กระบวนการไม่เสร็จสมบูรณ์ เช่น ของแข็งยังตกตะกอนไม่หมด หรือแบคทีเรียยังย่อยสลายของเสียไม่เสร็จ HRT ที่ยาวไม่ได้ดีกว่าเสมอไป เพราะต้องใช้ถังที่ใหญ่ขึ้นและมีค่าใช้จ่ายสูงขึ้น อีกทั้งในกระบวนการชีวภาพบางชนิด HRT ที่ยาวอาจทำให้จุลินทรีย์ขาดแหล่งของเสียที่ต้องใช้เป็นอาหารอย่างต่อเนื่อง

เหตุใดเวลากักเก็บจริงจึงแตกต่างจากค่าที่คำนวณได้

สูตร HRT = V/Q ให้ค่าเฉลี่ยทางทฤษฎี โดยสมมติว่าน้ำเคลื่อนผ่านถังอย่างสม่ำเสมอ แต่ถังจริงแทบไม่เป็นเช่นนั้น โดยทั่วไปมีผลสองประการที่ทำให้เวลากักเก็บจริงแตกต่างจากค่าที่คำนวณได้

การไหลลัดวงจร เกิดขึ้นเมื่อน้ำบางส่วนพบเส้นทางตรงจากทางเข้าไปยังทางออกและไหลออกเร็วกว่าค่าเฉลี่ยมาก สาเหตุที่พบบ่อยคือการจัดวางทางเข้าและทางออกไม่เหมาะสม

บริเวณอับการไหล คือมุมหรือบริเวณที่มีการไหลต่ำ ซึ่งน้ำถูกกักไว้และแทบไม่เคลื่อนที่ น้ำส่วนนั้นนับรวมอยู่ในปริมาตรถัง แต่แทบไม่ก่อประโยชน์ต่อกระบวนการ

ผลทั้งสองประการนี้ทำให้เวลากักเก็บเฉลี่ยจริงในถังที่ออกแบบไม่ดีอาจต่ำกว่า HRT ที่คำนวณได้มาก วิศวกรแก้ไขปัญหานี้ด้วยแผงกั้นที่บังคับให้น้ำไหลไปตามเส้นทางที่ยาวขึ้น หรือวัดเวลากักเก็บจริงด้วยการศึกษาสารติดตาม โดยเติมสารติดตามชนิดสีย้อมหรือเกลือที่ทางเข้า แล้ววัดความเข้มข้นที่ทางออกตามเวลาเพื่อแสดงว่าน้ำอยู่ในถังจริงนานเท่าใด

คำถามที่พบบ่อย

เวลากักเก็บทางชลศาสตร์ในความหมายง่าย ๆ คืออะไร คือเวลาเฉลี่ยที่น้ำหรือน้ำเสียอยู่ภายในถังก่อนจะไหลออก โดยคำนวณจากปริมาตรถังหารด้วยอัตราการไหล

HRT แตกต่างจาก SRT อย่างไร HRT วัดระยะเวลาที่ของเหลวอยู่ในถัง ส่วนเวลากักเก็บของแข็ง (SRT) หรือที่เรียกว่าอายุสลัดจ์ วัดระยะเวลาที่อนุภาคของแข็งหรือจุลินทรีย์อยู่ในระบบ ในระบบตะกอนเร่ง ค่าทั้งสองอาจแตกต่างกันมาก เพราะมักมีการหมุนเวียนของแข็งกลับเข้าสู่ถัง ขณะที่ของเหลวยังคงไหลผ่าน

จะเกิดอะไรขึ้นหาก HRT สั้นเกินไป กระบวนการภายในถังอาจไม่เสร็จสมบูรณ์ ในถังตกตะกอน ของแข็งอาจยังตกตะกอนไม่หมดก่อนน้ำไหลออก ในถังชีวภาพ จุลินทรีย์อาจมีเวลาไม่พอที่จะย่อยสลายของเสีย และแบคทีเรียที่เจริญเติบโตช้าอาจถูกพัดออกเร็วกว่าที่จะเพิ่มจำนวนได้

เวลากักเก็บทางชลศาสตร์นานเกินไปได้หรือไม่? ได้ ถังที่ใหญ่เกินความจำเป็นมีค่าก่อสร้างสูงขึ้น และในระบบเติมอากาศก็มีค่าใช้พลังงานสูงขึ้นด้วย ในกระบวนการชีวภาพบางชนิด HRT ที่ยาวมากอาจลดประสิทธิภาพเมื่อสิ่งมีชีวิตไม่มีอาหารเหลือ

อุณหภูมิเปลี่ยนเวลากักเก็บทางชลศาสตร์หรือไม่? อุณหภูมิไม่เปลี่ยน HRT ที่คำนวณได้ เนื่องจากค่านี้ขึ้นอยู่กับปริมาตรและอัตราการไหลเท่านั้น แต่อุณหภูมิเปลี่ยนผลที่ได้จากเวลากักเก็บช่วงหนึ่ง เพราะปฏิกิริยาทางชีวภาพและเคมีโดยทั่วไปช้าลงในน้ำเย็น

วัดเวลากักเก็บจริงในถังที่มีอยู่ได้อย่างไร? วิศวกรดำเนินการศึกษาสารติดตาม โดยเติมสารติดตามในปริมาณที่ทราบ เช่น สีย้อมหรือเกลือ ที่ทางเข้า แล้วติดตามความเข้มข้นที่ทางออกตามเวลา เส้นโค้งที่ได้แสดงการกระจายของเวลากักเก็บจริงในน้ำที่ไหลผ่าน และสามารถเผยให้เห็นการไหลลัดวงจรหรือบริเวณอับการไหลที่สูตรอย่างง่ายไม่สามารถแสดงได้

เอกสารอ้างอิง

• Metcalf & Eddy, Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, ฉบับที่ 5 McGraw-Hill Education, 2014
• สำนักงานพิทักษ์สิ่งแวดล้อมสหรัฐอเมริกา Primer for Municipal Wastewater Treatment Systems, EPA 832-R-04-001, 2004
• Crittenden, J. C. และคณะ MWH's Water Treatment: Principles and Design, ฉบับที่ 3 John Wiley & Sons, 2012