آهن و منگنز از جمله فلزاتی هستند که معمولاً در آب چاه ها با میزان قابل توجهی وجود دارند. دلیل این موضوع نیز، وجود بستر سنگی در آبهای زیرزمینی است.
آهن و منگنز در چاه های با عمق بالا بیشتر یافت می شوند. به این دلیل که در این چاه ها، آب مدت زمان بیشتری با سطوح سنگی حاوی این عناصر در تماس بوده است. البته در مناطقی که حفر معادن در آن وجود دارد نیز، امکان حضور این عناصر در آب بیشتر می شود. آهن و منگنز معمولاً با هم در آبهای زیرزمینی وجود دارند. اما میزان غلظت منگنز از آهن کمتر است. در بسیاری از مواقع، میزانی از آهن و منگنز در آب آشامیدنی وجود دارد. میزان بیش از حد آنها باعث بوجود آمدن طعم فلزی و همینطور ایجاد لکه می شود. آب های چشمه و چاه که حاوی مقدار زیادی آهن و منگنز هستند، مکن است در ابتدا با چشم غیر مسلح، شفاف به نظر برسند. اما به محض تماس با اکسیژن و اکسید شدن این مواد، لکه های نارنجی-قهوه ای (ناشی از آهن) و یا لکه های سیاه (ناشی از منگنز) روی سطوح نمایان خواهد شد.
استانداردهای آب آشامیدنی
آهن و منگنز موجود در آب آشامیدنی، خطری برای سلامتی ندارند. اما با توجه به اثرات ظاهری ناخوشایند، لکه گذاری بر روی سطوح و همینطور طعم تلخ فلزی که هم برای انسان و حتی برای حیوانات مورد قبول نیست، استانداردهای معتبر مرتبط با کیفیت آب، حدود و پیشنهاداتی در این خصوص ارائه داده اند.
آهن می تواند باعث ایجاد لکه های نارنجی و یا قهوه ای بر روی سطح سینک و یا حتی البسه شود. وجود منگنز در آب هم معمولاً خود را بصورت لکه و یا ذرات سیاه خود را نشان می دهد. به همین دلیل، توصیه شده که میزان آهن در آب آشامیدنی نباید بیش از 0.3 ppm و میزان منگنز نیز نباید بیش از 0.05 ppm باشد.
آزمایش آب
وجود لکه، ذرات و طعم فلزی، نشانگر وجود آهن و منگنز در آب است (حتی بدون آزمایش دقیق آب). اما با این وجود ، باز هم انجام آزمایش تعیین کیفیت آب، این مزیت را دارد که شما می توانید از میزان دقیق آنها در آب آگاه شوید. دانستن میزان دقیق این مواد در آب، باعث خواهد شد تا شما راه حل عملی تر و اقتصادی تری را برای حذف آنها از آب انتخاب کنید.
علاوه بر میزان این مواد در آب، نکته دیگری که مهم بوده و می بایست مشخص شود، "فرم" یا "نوع" این مواد در آب است. اگر آب خروجی چشمه و یا چاه، در ابتدا تمیز بوده و به مرور زمان، لکه های نارنجی – قهوه ای و یا سیاه پدیدار می شوند، مشخص می شود که در این حالت، آهن و منگنز در آب بصورت محلول هستند. آهن و منگنز محلول در آب، معمولاً در آبهای زیرزمینی با PH کمتر از 7 یافت می شوند.
اما در برخی موارد، آهن و منگنز از همان ابتدای خروج آب از چاه و یا چشمه، مشخص بوده و با چشم غیر مسلح نیز دیده می شوند. در این حالت، این فلزات بصورت "اکسید شده" در آب وجود دارند. این پدیده معمولاً در آبهای با PH بالا و یا آبهایی که اکسیژن در معرض آنها قرار دارد (مانند چشمه های آب سطحی)، دیده می شود.
روش حذف آهن و منگنز از آب
آهن و منگنز، با روش های مختلفی بسته به "میزان" و "نوع" آنها، می توانند در فرآیند تصفیه آب، حذف شوند. از آنجاییکه، مشکلات ناشی از آهن و منگنز موجود در آب (که در بالا به آن اشاره شد)، در تمامی نقاط مصرف در خانه می تواند باعث ایجاد مشکل و ناراحتی کند، لذا می بایست این مواد در نقطه ورود کل آب به ساختمان (Point of Entry) از آب حذف شوند. در ادامه به چند روش متداول تصفیه آب از این مواد می پردازیم:
1- سختی گیری (تعویض یون)
روش متداول سختی گیری آب، گاهی می تواند برای حذف آهن و منگنز از آب نیز موثر باشد. سختی گیری آب معمولاً برای حذف کلسیم و منیزیم از آب بوسیله تبادل یون صورت گرفته و در این فرآیند، یون سدیم جایگزین این دو یون در آب می شود. چنین فرآیند مشابهی نیز می تواند برای حذف یونهای آهن و منگنز صورت گرفته و یون سدیم را جایگزین آنها در آب نمود. سپس، آهن و منگنز جدب 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.
آهن و منگنز اکسید شده، روی رزین رسوب می کنند. بنابراین، بسیار مهم است که آب ورودی حاوی آهن و منگنز، پیش از ورود به رزین، با مواد اکسید کننده مانند هوا و یا کلر در تماس قرار نگرفته باشند. از سیستم سختی گیر، نمیبایست به عنوان یک فیلتر فیزیکی برای حذف ذرات استفاده نمود. این کار باعث صدمه دیدگی رزین و نیز کاهش زمان مورد نیاز برای شستشوی معکوس سیستم خواهد شد. در صورتیکه آهن و منگنز موجود در آب، در حالت "اکسید شده" قرار داشته باشند، بهتر است از فیلتراسیون فیزیکی بجای سختی گیری استفاده کنیم.
2- اضافه نمودن 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 یونهای 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.
3- فیلترهای اکسید کننده
فیلترهای اکسید کننده بصورت همزمان آهن و منگنز موجود در آب را اکسید و فیلتر می کنند. این فیلترها معمولاً از جنس greensand هستند. البته انواع دیگری نیز از این نوع فیلتر، مانند فیلترهای birm برای این منظور وجود دارند. 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 آنجاییکه 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 اکسید کننده نیازمند دقت در نگهداری بالایی هستند این فیلترها 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 حذف مقادیر متوسط آهن و منگنز محلول و همینطور اکسید شده، بخوبی و با اثربخشی بالا عمل می کند. استفاده ار فیلترهای اکسید کننده، برای زمانی که مجموع میزان آهن و منگنز در آب در بازه 3 ppm تا 10 ppm باشد، توصیه می شود. نکته مهمی که می بایست در نظر داشت این است که هر چه میزان آهن و منگتز در آب بیشتر باشد، عملیات نگهداری این فیلترها (احیا و شستشوی معکوس)، می بایست در بازه های زمانی کوتاهتر انجام گیرد.
فیلترهای اکسید کننده birm 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 birm بسیاز متغیر است. فیلترهای اکسید کننده birm مانند greensand نیاز به شستشوی معکوس برای جداسازی ذرات آهن و منگنز اکسیده شده، دارند.
4- 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 در مرحله بعد، 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.
5- سایر روشها
چهار روش فوق، متداولترین روش های حذف آهن و منگنز از آب هستند. اما روش های دیگری از جمله هوادهی (Aeration)، ازن زنی (Ozonation) و استفاده از کربن کاتالیزوری (Catalytic Carbon) نیز می توانند راه های موثری برای این منظور باشند.
سیستمهای هوادهی، به روشهای مختلف، هوا را به آب تزریق می کنند و این مزیت را دارند که از مواد شیمیایی برای اکسید کردن آهن و منگنز استفاده نمی کنند. هزینه اولیه خرید این دستگاه ها نسبت به سایر سیستمهای فوق الذکر بیشتر است اما هزینه نگهداری پایین تری نسبت به آنها دارند. این سیستم ها مجهز به فیلتر نیز هستند تا آهن و منگنز اکسید شده را فیلتر کنند.
کربن های کاتالیزوری باعث جذب، اکسیداسیون و فیلتر کردن ذرات آهن در یک سیستم بصورت همزمان می شوند. این روش برای میزان آهن محلول کمتر از 1 ppm توصیه می شود. نگهداری این فیلترها از نگهداری فیلترهای اکسید کننده آسان تر است به این دلیل که با توجه به عدم تزریق مواد شیمیایی اضافی، نیاز به احیا ندارند. البته این فیلترها نیز نیاز به شستشوی معکوس دارند. برای استفاده از کربن های کاتالیزوری، لازمست تا میزان اکسیژن در آب ورودی، حداقل 4 ppm باشد. برای این منظور، گاهی قبل از ورود آب به این نوع فیلترها، واحدهایی را قرار می دهند تا میزان اکسیژن موجود در آب را افزایش دهند.
ازن زنی به عنوان یکی از روشهای مورد استفاده در تصفیه آب در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. ازن نیز مانند کلر، یک اکسید کننده قوی محسوب می شود. اما این گاز، بسیار ناپایدار بوده و می بایست در محل مورد استفاده، تولید شود. ازن بعد از تولید شدن، به داخل آب تزریق شده و باعث اکسید شدن آهن و منگنز محلول در آب می شود. سپس این مواد اکسید شده، توسط یک فیلتراسیون فیزیکی از آب جدا می شوند. البته باید توجه داشت که معمولاً قیمت یک سیستم ازن زنی از سایر روشهای اشاره شده بالاتر است. به همین دلیل، توصیه می شود که از این سیستم در جاهایی استفاده شود که علاوه بر آهن و منگنز، قصد حذف سایر آلاینده ها (مانند فلزات و باکتری) را هم از آب داشته باشیم.
