یکی از املاحی که در آب های زیرزمینی به وفور یافت می شود آهن و منگنز می باشد که دلیل به وجود آمدن این نوع املاح در آب وجود بستر های سنگی در داخل زمین می باشد که با عبور آب و تماسی که با این نوع سنگ های زیرزمینی داشته سبب به وجود آمدن آهن و منگنز در آب می شود. میزان غلظت آهن و منگنز در آب ها به مدت زمانی که آب با این نوع سنگ ها در تماس می باشد بستگی دارد .
آب های چشمه و چاه دارای بیشترین مقدار آهن و منگنز می باشد که با چشم غیر مسلح دیده نمی شود و وقتی به آب نگاه می کنیم عملا آبی صاف و بدون آلودگی را می بینیم اما در صورتی که با اکسیژن ترکیب شوند به سرعت لکه هایی را که اغلب نارنجی یا قهوه ای و یا سیاه می باشند را ایجاد می کنند که لکه های سیاه ایجاد شده ناشی از وجود منگنز در آب می باشد و لکه های قهوه ای و نارنجی ایجاد شده به دلیل وجود آهن در آب می باشد.
با توجه به استاندارد آب آشامیدنی آهن و منگنز خطری برای سلامتی انسان ندارند. هدف اصلی برای حذف آهن و منگنز بیشتر در مورد شکل ظاهری، تغییر رنگ آب، طعم تلخ فلز، ایجاد لکه و همچنین به جهت عدم تشکیل رسوب و گرفتگی سیستم لوله کشی، سطوح و… می باشد. طبق استاندارد بین المللی مقدار آهن موجود در آب از 0.3 ppm و منگنز از 0.05 ppm نباید بیشتر باشد.
روش های حذف آهن و منگنز از آب
برای حذف آهن و منگنز از آب راه های مختلفی وجود دارد که در زیر به طور کامل به تشریح آنها می پردازیم.
- سختی گیر رزینی
- اضافه کردن پلی فسفات
- فیلترهای اکسید کننده
- اکسیداسیون و فیلتراسیون
- هوادهی
- ازن زنی
سختی گیر رزینی
یکی از رایج ترین روش های حذف آهن و منگنز از آب استفاده از سختی گیر تعویض یونی می باشد که علاوه بر آهن و منگنز، کلسیم و منیزیم را نیز از آب حذف می کند .طرز عملکرد و نحوه حذف آهن و منگنز به این صورت می باشد که یون های سدیم با آهن و منگنز موجود در آب جایگزین شده سپس، آهن و منگنز جذب شده را با انجام شستشوی معکوس (Backwash) و احیا (Regeneration) از سیستم جدا نمود. اثربخشی حذف آهن و منگنز به روش فوق، به میزان آهن موجود در آب، سختی آب و نیز PH آن بستگی دارد. روش سختی گیری برای حذف آهن و منگنز تنها زمانی توصیه می شود که PH آب بالاتر از عدد 6.7 بوده، سختی آب بین 3 تا 20 گرین در گالن (50 - 350 ppm) و میزان آهن محلول در آب، کمتر از 5 ppm باشد.
در صورتی که آهن و منگنز قبل از ورود به سختی گیر با کلر و هوا که جز مواد اکسید کننده می باشد در تماس باشند دیگر نمی توان از سیستم سختی گیر استفاده کرد چون آهن و منگنز اکسید شده بر روی رزین رسوب می کند و سبب آسیب رساندن به رزین می شود پس بهتر است به جای سختی گیر از فیلتراسیون استفاده شود.
اضافه کردن پلی فسفات
در صورتیکه میزان آهن موجود در آب کمتر از 2 ppm باشد، می توان به آن پلی فسفات اضافه نمود. البته اضافه کردن فسفات معمولاً برای مقابله با منگنز، کارایی ندارد. در این روش، فسفات از طریق پمپ تزریقی وارد آب می شود. تنظیم مقدار مناسب فسفات برای تزریق، به روش سعی و خطا است. تفاوت مهم این روش با سایر روش ها در این است که در روش تزریق فسفات، آهن در میان یون های فسفات احاطه می شود و به این وسیله، اجازه رسوب پیدا نمی کند. در واقع، در این روش، آهن از آب حذف نمی شود. البته استفاده از این روش، با مخالفت ها و انتقاداتی روبروست. درست است که با این روش، از ایجاد رسوب و لکه توسط آهن محلول در آب جلوگیری می شود، اما کماکان مزه تلخ فلزی در آب وجود خواهد داشت. ضمن اینکه اگر میزان فسفات تزریقی به آب، زیاد باشد، آب حالت لزج پیدا خواهد کرد و حتی در مواردی می تواند منجر به اسهال در انسان شود.
فیلترهای اکسیدکننده
فیلترهای اکسید کننده بصورت همزمان آهن و منگنز موجود در آب را اکسید و فیلتر می کنند. این فیلترها معمولاً از جنس greensand و brim هستند. فیلترهای greensand ، ضمن ترکیب با پرمنگنات پتاسیم، سطحی را روی خود تشکیل می دهند که باعث اکسید کردن آهن و منگنز محلول در آب شده و سپس این مواد اکسید شده را بصورت فیزیکی فیلتر می کنند. از آنجایی که این فیلترها، فعالیت اکسیداسیون و فیلتراسیون را همزمان انجام می دهند، می توانند هم برای حذف آهن و منگنز محلول در آب و هم برای حالت اکسید آنها، مورد استفاده قرار گیرند.
فیلترهای اکسیدکننده می بایست با محلول پرمنگنات پتاسیم احیا شوند. زیرا همانطور که گفته شد، این ماده که بصورت پوشش روی ذرات greensand قرار می گیرد، برای اکسید کردن آهن و منگنز مصرف می شود. علاوه بر این، با توجه به فیلتر شدن ذرات آهن و منگنز اکسید شده، شستشوی معکوس (Backwash) منظم این فیلترها نیز از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. البته باید توجه داشت که پرمنگنات پتاسیم که برای احیای این فیلترها مورد استفاده قرار می گیرد، یک ماده سمی است و می بایست در نگهداری و حمل آن، نکات ایمنی به دقت مدنظر قرار گیرند. فیلترهای اکسید کننده greensand برای زمانی که مجموع میزان آهن و منگنز در آب در بازه 3 ppm تا 10 ppm باشد، توصیه می شود.
فیلترهای اکسید کننده brim مانند فیلترهای اکسید کننده greensand عمل می کنند با این تفاوت که این نوع فیلترها نیاز به احیا ندارند، چرا که آنها از اکسیژن موجود در آب ورودی برای اکسید کردن آهن و منگنز استفاده می کنند. بنابراین، آب ورودی این نوع فیلترها می بایست به میزان کافی دارای اکسیژن محلول بوده و همینطور PH آنها برای حذف آهن، حداقل 6.8 و برای حذف منگنز، حداقل 7.5 باشد. حتی در شرایط کاملاً ایده آل هم، حذف منگنز توسط فیلترهای brim بسیار متغیر است. فیلترهای اکسید کننده brim مانند greensand نیاز به شستشوی معکوس برای جداسازی ذرات آهن و منگنز اکسیده شده، دارند.
اکسیداسیون و سپس فیلتراسیون
زمانی که میزان مجموع آهن و منگنز موجود در آب، بیش از 10 ppm باشد، بهترین گزینه حذف این عناصر، استفاده از اکسیداسیون و سپس، فیلتراسیون است. در این فرایند، با تزریق یک ماده شمیایی در آب، آهن و منگنز محلول در آب اکسید شده و بصورت ذرات جامد در می آیند و سپس در مرحله بعدی، با فیلتراسیون فیزیکی از آب جدا می شوند.
کلر، پرمنگنات پتاسیم و پروکسید هیدروژن از جمله مواد شیمیایی متداولی هستند که برای اکسید کردن آهن و منگنز آب مورد استفاده قرار می گیرند. در این موارد، معمولاً یک پمپ تزریق کوچک برای تزریق کلر (مثلاً در قالب هیپوکلریت سدیم) در بالادست جریان قرار گرفته و سپس این محلول وارد یک تانک مختلط کننده (Mixing Tank ) و یا کویل لوله کشی وارد میشود تا زمان کافی برای اکسید شدن آهن و منگنز و تبدیل آنها به ذرات جامد وجود داشته باشد. در مواردی که از کلر به عنوان اکسید کننده استفاده می شود، لازمست تا بعد از تزریق کلر، از فیلتر کربن فعال برای حذف طعم و بوی کلر اضافی استفاده کنیم. البته کلر برای اکسید کردن مقادیر بالای منگنز محلول در آب توصیه نمی شود. زیرا برای اکسید کردن کامل منگنز، نیاز به PH خیلی بالا است.
نگهداری این سیستم، بسیار مهم و زمانبر است. تانک مختلط کننده باید بصورت مننظم تخلیه و مجدداً پر شود. همینطور، فیلترها می بایست مرتباً شستشوی معکوس داده شوند تا ذرات جامد اکسید شده آهن و منگنز جذب شده به آنها، جدا شده و فیلتر تمیز شود. ضمناً در صورتی که از فیلتر کربن فعال هم استفاده شده باشد، در بازه های زمانی مشخص می بایست نسبت به تعویض کربن آن هم اقدام نمود. مقدار و بازه های زمانی انجام فعالیت های فوق، بستگی مستقیم به میزان آهن و منگنز در آب ورودی دارد.
سیستم هوادهی
در این روش هوا را به داخل آب تزریق می کنند تا سبب اکسید شدن آهن و منگنز شود و سپس با استفاده از فیلتراسیون سبب حذف آهن و منگنز می شود این روش هزینه اولیه خرید دستگاه نسبت به سایر روش ها بیشتر ولی هزینه نگهداری آن نسبت به روش های دیگر کمتر است.
سیستم کربن های کاتالیزوری
اگر مقدار آهن محلول در آب کمتر از 1 ppm باشد از روش کربن کاتالیزوری استفاده می کنیم که عمل اکسید کردن و فیلتر کردن را به صورت همزان انجام می دهد. این روش به دلیل اینکه مواد شیمیایی به آب تزریق نمی شود پس نیاز به بک واش ندارد و هزینه نگهداری کمتری را دارا می باشد.
ازن زنی
ازن نسبت به کلر خاصیت اکسید کنندگی خیلی قوی تری دارد و در مدت زمان کوتاهی قادر به انجام اکسیداسیون مواد محلول در آب است. یکی از بهترین روش های حذف آهن و منگنز از آب، استفاده از گاز ازن بعنوان اکسید کننده و سپس عبور آب از یک فیلتر شنی است.
اکسیداسیدن و فیلتراسیون توسط ازن
در مرحله اول، گاز ازن بوسیله یک دستگاه ازن ژنراتور در داخل مخزن ذخیره آب تزریق می شود. که برای تبدیل هر میلی گرم آهن دو ظرفیتی (محلول) به آهن سه ظرفیتی (نامحلول)، 0.43 میلی گرم ازن مورد نیاز است. از آنجائی که این فرآیند تنها تبادل یک الکترون است، واکنشی است که به سرعت اتفاق می افتد. در صورت وجود همزمان آهن و منگنز در آب و تزریق ازن، ابتدا ازن صرف اکسیداسیون کل آهن شده و سپس اکسیداسیون منگنز شروع می شود. بهترین بازه pH برای اکسیداسیون مناسب آهن توسط ازن، بازه 6 تا 9 می باشد.
یکی از دیگر از مزایای استفاده از ازن برای حذف آهن از آب، این است که ازن باعث از بین رفتن کامل "باکتری آهن" (Iron Bacteria) در آب می شود. تقریباً در تمامی آب های چاه حاوی آهن، مقادیری از باکتری آهن نیز وجود دارد. باکتری آهن علیرغم بیماری زا نبودن، باعث تشکیل و رشد تدریجی لایه های بیوفیلم در بستر فیلترها و سیستم های لوله کشی و بروز مشکلاتی در آنها خواهد شد. با استفاده از ازن، این مشکل به کلی مرتفع می شود.
در اکسیداسیون منگنز توسط ازن می بایست به یک نکته دقت داشت. اکسیداسیون بیش از اندازه منگنز، موجب تولید یون پرمنگنات (MnO4-) محلول در آب می شود. این ماده براحتی می تواند از فیلتر شنی عبور می کند. هرچند که پس از گذشت مدت زمانی حدود 20 تا 30 دقیقه، یون پرمنگنات مجدداً به دی اکسید منگنز تبدیل می شود، اما بهتر است طراحی و میزان تزریق ازن به نحوی باشد تا حتی الامکان از این پدیده جلوگیری شود. که گروه لوتوس تجهیز کاسپین نیز از اکسیداسیون و فیلتراسیون با ازن برای حذف آهن در پکیج های حذف آهن خود استفاده می کند.
