ในภาวะที่ตลาดมีการแข่งขันสูง ในขณะที่ระดับผลกำไรลดต่ำลง ส่วนหนึ่งมาจากการออกพระราชบัญญัติคุ้มครองสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวด จึงมีความจำเป็นที่เราต้องเร่งหาแนวทางแก้ไขที่เหมาะสม เพื่อช่วยให้กระบวนการผลิต มีความยั่งยืน และมีผลกำไรที่ดี ที่ผ่านมาการเปลี่ยนแปลงของวัตถุดิบและพลังงาน คือปัจจัยหลักที่จำกัดประสิทธิภาพในกระบวนการดำเนินงาน  จึงเห็นได้ชัดว่า กระบวนการผลิตที่ปราศจากน้ำทิ้งเป็นปัจจัยสำคัญที่จะทำให้กระบวนการผลิตนั้น ๆ มีประสิทธิผล และมีส่วนช่วยในการรักษาสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม กระบวนการผลิตที่ปราศจากน้ำทิ้งที่สมบูรณ์แบบนั้น ยังคงเป็นเพียงแค่ในอุดมคติ เห็นได้จากกระบวนการผลิตทั้งหลาย ยังคงประสบปัญหา กากเหลือทิ้ง น้ำเสีย และการสูญเสียพลังงาน ซึ่งเป็นตัวแปรสำคัญในการเพิ่มต้นทุนในการแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้น การทำให้ปัญหาข้างต้นลดน้อยลง และการนำปัจจัยเหล่านั้นกลับมาใช้ใหม่ (รีไซเคิล) ยังคงเป็นความท้าทายที่ต้องทำให้เกิดประสิทธิภาพอย่างแท้จริง เพื่อให้เราสามารถยืนหยัดในการแข่งขันที่มีแนวโน้มสูงขึ้นในอนาคต

บทความนี้นำเสนอเทคโนโลยีใหม่ ที่เกี่ยวกับเรื่อง น้ำเสีย และกระบวนการบำบัดน้ำเสีย  และยังนำไปสู่กระบวนการผลิตที่ปราศจากน้ำทิ้งที่สมบูรณ์ ซึ่งจะช่วยให้กระบวนการผลิตมีประสิทธิผล และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอย่างยั่งยืน
กระบวนการ ด้านความปลอดภัย และการส่งน้ำที่ถูกสุขอนามัย และการใช้ทรัพยากรน้ำ  จะเป็นจุดเริ่มต้นในการกำหนดคุณภาพ เมื่อปัจจัยเหล่านี้ได้ประยุกต์เข้ากับเทคโนโลยีที่ทันสมัย  อันได้แก่

• การกระจายแหล่งส่งน้ำ
• การใช้น้ำอย่างมีประสิทธิภาพ (ยกตัวอย่าง การรีไซเคิล และการใช้พลังงาน จากแหล่งน้ำในอุตสาหกรรม) ซึ่งจะส่งผลดีกับ กระบวนการผลิตน้ำ และการบำบัดน้ำเสีย ได้แก่

a. แบบแผนในการออกแบบ ระบบส่งน้ำ และใช้พื้นที่น้อย (ทุกที่สามารถใช้ร่วมกันได้)
b. ใช้พลังงานต่ำ
c. ใช้งานง่าย และส่วนประกอบหลักไม่มีการเคลื่อนที่
นอกเหนือจากนัยสำคัญของระบบ ที่ได้ถูกอธิบายไว้อย่างชัดเจน ในข้อ B ระบบบำบัดน้ำเสียที่ทันสมัย จะช่วยทำให้บรรลุเงื่อนไขอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับเรื่องที่เรากำลังให้ความสนใจกันอยู่ ซึ่งโดยทั่วไปโรงงานอุตสาหกรรมส่วนมากจะตั้งอยู่ในเมืองใหญ่ หรือเขตอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ โดยพื้นที่ใช้สอยมีมูลค่าสูงมาก การจะมีพื้นที่ซักชั้นไว้ใช้สอย อาจต้องลงทุนมากกว่าการวางระบบบำบัดน้ำเสีย ดังนั้นระบบบำบัดที่สมบูรณ์ภายในพื้นที่เหล่านี้ จึงเป็นความต้องการเร่งด่วน และจากการขาดแคลนผู้เชี่ยวชาญที่มีความชำนาญในตัวระบบ การที่ระบบมีการทำงานง่าย และไม่ซับซ้อน จะเป็นประโยชน์อีกทางหนึ่งด้วย จะเห็นได้ว่าประเด็นต่าง ๆ เหล่านี้ เป็นการยากที่จะทำให้เกิดขึ้นในกระบวนการบำบัดน้ำเสียโดยทั่ว ๆ ไป อย่างที่เราทราบกันว่า ระบบบำบัดน้ำเสียแบบแอกทิเวเต็ดสลัดจ์ (Activated Sludge Process) เป็นวิธีการบำบัดน้ำเสียด้วยวิธีการทางชีวภาพ ที่ใช้แบคทีเรียพวกที่ใช้ออกซิเจน และการเติมอากาศ เป็นตัวหลักในการสลายสารอินทรีย์ในน้ำเสีย แต่ระบบไม่ได้สนใจในกระบวนการที่เกิดขึ้นโดยตรงภายในจุลชีพเหล่านั้น
ไบโอฟล็อก และไบโอฟิลม์ (Bioflocs and Biofilms) ซึ่งถูกสร้างขึ้นในถังปฏิกรณ์ชีวภาพ โดยทั่วๆ ไปสามารถแยกถังปฏิกรณ์ออกจากกันได้ โดยมีโครงสร้างของถังปฏิกรณ์ที่สัมพันธ์กัน โดยในด้านจลศาสตร์ ความเข้มข้นของสารจุลชีพในถังปฏิกรณ์จะถูกกำหนดโดย อัตราการย่อยสลายที่สำเร็จแล้ว จะเห็นได้ว่า จลศาสตร์ Monod เป็นพื้นฐานสำหรับ ระบบบำบัดน้ำเสีย โดยเฉพาะในเรื่อง Space-Time-Yield

ค่า COD ของปริมาณของเสีย สามารถถูกลดลงได้ในถังปฏิกรณ์ ในจำนวนที่แน่นอน และเวลาจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารจุลชีพ (Ni) ที่สัมพันธ์ในกระบวนการย่อยสลาย และความเข้มข้นของสารตั้งต้น S. ในเทคโนโลยีบำบัดน้ำเสียโดยปกติ จะพิจารณาเพียงแค่ความเข้มข้นที่ผ่านไบโอฟล็อกออกมาเท่านั้น ค่าเหล่านี้จะขึ้นอยู่กับค่าที่ถูกกำหนดโดยข้อบังคับตามกฏหมาย
ในกระบวนการเคลื่อนย้ายจากสภาวะสารจุลชีพสู่ ถังปฏิกรณ์ชีวภาพ เพียงแค่พื้นที่รอบนอกของตะกอนเบา “flocs”เท่านั้น ที่ถูกใช้ ดังรูปที่ 1

รูปที่ 1: ลักษณะสารจุลชีพใน ตะกอนเบาแบคทีเรีย ของเทคโนโลยีทั่วไป

โดยสามารถถูกตรวจสอบ โดยการวัดค่า ที่ 10% เท่านั้น (โดยจะเท่ากับ 0, 1) ของจำนวนจุลชีพที่เหลืออยู่ในกระบวนการย่อยสลาย โดยวิธีนี้ เพียงแค่อัตราการย่อยสลายที่ต่ำมากเท่านั้น ที่จะสามารถถูกจัดการ ซึ่งเป็นข้อจำกัดสำหรับเครื่องบำบัดน้ำเสียที่มีการจัดการน้ำเสียในปริมาณมาก ซึ่งเกี่ยวเนื่องจากค่าความเข้มข้นของจุลชีพ (Ni) และ ความเข้มข้นของสารตั้งต้น S. มีปริมาณที่น้อยมาก
ในขณะที่เทคโนโลยี Application of Membranes ช่วยรักษาจำนวนของจุลชีพในถังปฏิกรณ์ได้ดีขึ้นกว่าเดิม 5 - 6 เท่า แต่ยังคงไม่อาจแก้ปัญหาการบำบัดน้ำเสียปริมาณมากได้ดีเพียงพอ และในการก่อตัวของลักษณะสารจุลชีพใน ไบโอฟล็อก หรือไบโอฟิลม์ มีส่วนทำให้จุลชีพอีกชนิดก่อตัวขึ้น
เทคโนโลยีบำบัดน้ำเสียสมัยใหม่ จะให้ความสำคัญกับการก่อตัวของจุลชีพในถังปฏิกรณ์ชีวภาพ “ไบโอฟล็อก และ ไบโอฟิลม์” เพียงเล็กน้อย เพื่อให้สามารถปรับปรุงอัตราการแตกตัวให้ดีขึ้น เทคโนโลยีเหล่านี้ได้แก่

• JZR - membrane bioreactor และ
• membrane tube reactor (MSM)

ในเทคโนโลยี JZR ปริมาตรของถังปฏิกรณ์จะถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วน ได้แก่ Jet-Zone และ Reaction Zone (ดังรูปที่ 3) ในพื้นที่ส่วนเล็ก (Jet-Zone) พลังงานที่ถูกใช้ เพียงแค่ 1/7 ของปริมาตรของถังปฏิกรณ์ ดังนั้นจุลชีพจะถูกรวมเข้ากับตะกอนเบาที่มีขนาดเล็กที่ใช้พลังงานต่ำ ซึ่งทั้งหมดจะถูกทำให้อิ่มตัวด้วยออกซิเจนในอากาศ และค่า COD จากน้ำเสีย (ดูรูปที่ 2) และก้อนไบโอฟล็อกเกือบทั้งก้อนสามารถถูกใช้ หลังจากนั้นไม่นานจุลชีพจะไหลออกจาก Jet-Zone สู่พื้นที่ที่ใหญ่กว่า Reaction-Zone ที่นี่ จุลชีพจะทำการแตกตัว และบางส่วนจะไหลย้อนกลับสู่ Jet-Zone หลังจากนั้นกระบวนการทั้งหมดจะเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง

รูปที่ 2: ลักษณะของสารจุลชีพใน แบคทีเรียฟล็อกหลังจากออกจาก Jet-Zone

ในการเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีต้นแบบ เทคโนโลยี JZR เป็นเทคโนโลยีที่ประหยัดพื้นที่ได้ดีกว่า ที่สามารถนำไปรวมเข้ากับพื้นที่ของโรงงานที่มีอยู่แล้วได้อย่างง่ายดาย ด้วยเทคโนโลยีนี้สามารถเพิ่มอัตราการแตกตัวได้ถึง 10 เท่า
นอกจากนี้ถ้ารวมเข้ากับ Upstream Membrane Separation เทคโนโลยี JZR สามารถทำการแตกตัว แม้แต่น้ำเสียที่มีปริมาณ AOX ที่สูง และย่อยสลายวัตถุในระบบส่งน้ำเสีย ซึ่งไม่เคยทำได้มาก่อน ถ้าไม่ใช่ด้วยวิธี Chlorinated Hydrocarbons Van Uhden กล่าวไว้ว่ากระบวนการนี้จะประสบผล เมื่อสารจุลชีพ ตะกอนเบา ภายในถังปฏิกรณ์ชีวภาพ ถูกเปลี่ยนแปลงให้มีค่าที่สูงกว่าค่ากำหนดของสาร AOX มากๆ ซึ่งปัญหานี้ไม่สามารถถูกแก้ไขได้ในเทคโนโลยีที่ผ่านมา อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยี JZR ก็ไม่สามารถบรรลุกฏเกณฑ์นั้นได้ แต่สามารถเข้าใกล้ค่ากำหนดนั้นได้ดีในระดับนึง
กระบวนการคล้ายๆ กันนี้ ได้ถูกใช้ในการกำจัดไนโตรเจน ยกตัวอย่างเช่น น้ำทิ้งจากโรงงานถ่านหิน อุตสาหกรรมผลิตเนื้อสัตว์ และโรงงานก๊าซชีวภาพ เทคโนโลยีโดยทั่ว ๆ ไปที่ใช้แบคทีเรียฟล็อก จุดชีพย่อยสลายชนิด เฮเทโรโทรฟิก ออร์แกนิคคาร์บอน (heterotrophic organic carbon degrading microorganisms) และ ออโตโทรฟิก ไนโตรเจน (autotrophic nitrogen degrading microorganisms) จะแย่งออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำ (ดังรูปที่ 1) ที่เห็นได้ชัดในด้านการเจริญเติบโตที่ช้า หรือที่เรียกกันว่า ไนตริฟิแคนท์ (nitrificants) ซึ่งไม่เพียงแค่ต้องการออกซิเจนเป็นอย่างมากในกระบวนการเท่านั้น แต่ยังทำให้ไม่มีโอกาสที่จะสามารถใช้ปฏิกริยาที่เกิดขึ้นได้อย่างเต็มที่ เมื่อเปรียบเทียบกับจุลชีพ เฮเทโรโทรฟิก ที่เจริญเติบโตได้เร็วกว่า
ดังนั้น การแยกการเติมออกซิเจนออกจากการเติมสารตั้งต้นเข้าสู่ระบบ จะทำให้กระบวนการที่เกิดขึ้นได้ผลลัพธ์ที่ดีกว่ามาก (ดังรูปที่ 3) ในกระบวนการนี้ ไบโอฟิล์มพัฒนา ซึ่งมาจากถังบรรจุน้ำเสียจากภายนอก และออกซิเจนจากภายใน
จุลชีพ เฮเทโรโทรฟิก ซึ่งมีอยู่ในพื้นที่ภายนอกที่ไม่มีออกซิเจนของไบโอฟิล์ม จะสามารถใช้ประโยชน์จากการดึงออกซิเจนจาก NO3-N ซึ่งได้มาจากพื้นที่ภายในเพื่อย่อยสลาย ออร์แกนิกคาร์บอน และสารประกอบไนโตรเจน (de-nitrification) ส่วนประกอบของ NH3-N ที่เหลืออยู่จะแพร่กระจายสู่พื้นที่ภายในของไบโอฟิล์ม ภายใต้สภาวะที่เป็นออกซิเจนนั้น ไนตริฟิแคนท์จะสร้าง NO3-N ซึ่งแพร่กระจายสู่วงนอกที่ผ่านการย่อยสลายมากกว่า ดังนั้นกระบวนการที่ใช้สระน้ำขนาดใหญ่ 2 สระในระบบบำบัดน้ำเสียโดยทั่วๆ ไปนั้น สามารถใช้ระบบดังกล่าวนี้ด้วยไบโอฟิล์มที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มม.

ชนิดของถังปฏิกรณ์ใช้สำหรับบำบัดน้ำเสียตามสภาวะการณ์ที่แตกต่างจะขึ้นอยู่กับที่มา และองค์ประกอบที่แน่ชัดของน้ำเสีย ซึ่งมีความจำเป็นเป็นอย่างยิ่งที่ต้องใช้ชนิดของเทคโนโลยีถังปฏิกรณ์ที่เหมาะสม เพื่อประสิทธิภาพสูงสุดในการจัดการน้ำเสีย ดังนั้น Institute of Environmental Process Engineering ในเบรเมน ประเทศเยอรมนี ได้ออกแบบ ชนิดของถังปฏิกรณ์ออกมา 3 แบบ

JZR: สำหรับน้ำเสียที่มีภาวะมลพิษสูง
SMR: สำหรับน้ำเสียที่ยากต่อการย่อยสลายชนิด Dissolved Organic Carbons (DOC) และ AOX-forming substances
MSM: สำหรับน้ำเสียชนิด simultaneous nitrification และ denitrification

กระบวนการบำบัดน้ำเสียในสภาวะที่มีการเจือปนสูงด้วย JZR เทคโนโลยีในการบำบัดน้ำเสียที่มีสารเจือปนสูงโดยทั่วไป จะใช้ activated sludge tank, ถังตะกอน (sedimentation tank), sludge stabilization และ filtration นอกจากนี้ ยังต้องการพื้นที่ในการจัดการมาก และปริมาณของพลังงานที่จะใช้ในระบบ อย่างไรก็ตามการกำจัดสิ่งเจือปนให้หมดสิ้นในโรงงานเหล่านั้น ก็ยังเป็นเรื่องยากที่จะทำได้ ยิ่งไปกว่านั้น ปัจจัยที่กล่าวมาข้างต้นยังเป็นการเพิ่มการลงทุนให้กับบริษัทจำนวนมหาศาล ยังผลให้กำไรจากผลประกอบการลดต่ำลง ในปัจจุบันเทคโนโลยีใหม่นี้ได้แก้ปัญหาต่าง ๆ เหล่านี้ให้หมดสิ้นไป ด้วยการลดขนาดของระบบให้มีขนาดเล็กลง ในขณะที่มีประสิทธิภาพเพิ่มสูงขึ้น ซึ่งลักษณะพิเศษของระบบ จะใช้การรวบรวมและวิเคราะห์หน่วยปฏิบัติการหลาย ๆ หน่วย เพื่อนำมาประยุกต์ใช้ได้อย่างเหมาะสมตามความต้องการของกระบวนการ

ขั้นตอนสำคัญในการบำบัดน้ำเสีย คือ การย่อยสลายทางชีวภาพ ของสารเจือปน ซึ่งโดยทั่วไปใช้อากาศ เพื่อให้เกิดปฏิกริยาสันดาบขึ้นกับ Biocenosis โดยที่เวลาในการเก็บกัก และความอิ่มตัวของออกซิเจน เป็นข้อจำกัดในกระบวนการย่อยสลาย ในหน่วยบำบัดโดยทั่วไป ขั้นตอนนี้จะขึ้นอยู่กับการเติมออกซิเจนจากอากาศ ลงสู่น้ำ บนพื้นผิวของจุลชีพเป็นสำคัญ กล่าวได้ว่า “กระบวนการย่อยสลาย ถูกจำกัดอยู่ที่ การเคลื่อนย้ายมวลสาร” เพื่อทำให้กระบวนการย่อยสลายมีประสิทธิภาพสูงสุด การเพิ่มประสิทธิภาพในการเคลื่อนย้ายมวลสารจาก สภาวะก๊าซ สู่สภาวะของเหลว จึงเป็นเรื่องสำคัญ ในการทำให้เกิดการอิ่มตัวของออกซิเจนสูงสุด โดยทั่วไปยิ่งสารเจือปนมีมากเท่าไหร่ หมายถึง เวลาในการกักเก็บที่นานมากขึ้น ดังนั้นการดัดแปลงระบบเพื่อทำให้ใช้เวลาในการกักเก็บน้อย โดยไม่คำนึงถึงปริมาณของสารที่เจือปน อีกทั้งยังใช้พลังงานต่ำ และพื้นที่ในการจัดการน้อย จึงได้ถูกพัฒนาขึ้นที่ Institute of Environmental Process Engineering เบรเมน ประเทศเยอรมนี นวัตกรรม Jet Zone Loop Reactor (JZR) ได้ถูกดัดแปลง ด้วยการเพิ่มหัวฉีด (Injector) ถูกติดตั้งที่ความสูง 1/3 ของความสูงของถังปฏิกรณ์ ซึ่งแบ่งพื้นที่ออกเป็น 2 ส่วนที่เป็น Hydrodynamic zone (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: แผนผังส่วนประกอบภายในของ Jet-Zone-Reactor (JZR)

เนื่องจากเป็นหัวฉีด (ก๊าซและของเหลว) JZR จึงมีลักษณะเด่นในเรื่องการควบคุมความหนาแน่นของพลังงานที่ใช้ ให้สัมพันธ์กับปริมาตรของแต่ละ Zone และยังสามารถควบคุมการปิดเปิดของการฉีดก๊าซได้อย่างดี ด้วยการแยกหัวฉีดก๊าซออก ระบบ Jet จะขับเคลื่อนวงรอบการทำงานที่สั้น แต่มีพลังงานสูงที่ส่วนล่างของถังปฏิกรณ์ ฟองอากาศใน Zone นี้ จะมีขนาดเล็กมาก ซึ่งจะช่วยให้เกิดค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนที่รวดเร็ว  ส่วนด้านบนของถังปฏิกรณ์ สามารถถูกทำให้เป็นของเหลว โดยถังปฏิกรณ์ Air Lift Loop ซึ่งเกิดจากความหนาแน่นด้วยแรงกดของน้ำที่แตกต่างกัน ระหว่างพื้นที่ภายใน และภายนอกของหลอดด้านบน  พื้นที่ในส่วนนี้ จะมีตะกอนเบา (floc) ก่อตัวขึ้นโดย กระบวนการสันดาบทางชีวภาพของแบคทีเรียที่ได้รับการสนับสนุน และก่อให้เกิดสภาวะย่อยสลายที่ดีที่สุด การตัดแรงดันกำลังสูงใน Jet Zone (ดูรูป 4) และระยะเจริญเติบโตในโซนปฏิกริยาเคมี ทำให้แน่ใจในขนาดที่ใหญ่ที่สุดของ Bacteria Flocs และหลีกเลี่ยงการหมุนเวียนของจุลินทรีย์สารส่วนเกิน นอกจากนี้ กระบวนการย่อยสลายทางชีวภาพของ JZR ไม่ได้ถูกจำกัดที่การเคลื่อนย้ายมวลสารอีกต่อไป ซึ่งถ้าเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีก่อนหน้า ที่ประสิทธิภาพของกระบวนการนี้ จะขึ้นอยู่กับเวลาที่ใช้ในการเกิดปฏิกริยาเคมีภายในกระบวนการย่อยสลาย

รูปที่ 4: การทำงานของปลายกระบอกฉีดแบบ 2 เฟส