การกำจัดเหล็กและแมงกานีส

ตอนที่1 การเติมอากาศ/ออกซิเจน เพื่อกำจัดเหล็กและแมงกานีส

1. การเติมอากาศ/ออกซิเจน เพื่อกำจัดเหล็กและแมงกานีส

            เหล็กและแมงกานีส (Iron and Managanese) ปกติจะละลายปะปนอยู่ในน้ำบาดาลมากกว่าน้ำผิวดิน ปริมาณเหล็กละลายน้ำมากกว่า 0.3 มก./ล. และแมงกานีสมากกว่า 0.05 มก./ล. จะมีปัญหาเรื่องน้ำเปลี่ยนสีมีกลิ่นสนิมเหล็ก และทำให้สีของผลิตภัณฑ์โดยเฉพาะสีขาวมีรอยด่าง  ตารางที่ 1 แสดงคุณภาพน้ำของอุตสาหกรรมต่างๆเกี่ยวกับความเข้มข้นของเหล็กและแมงกานีส  น้ำบาดาลในบางพื้นที่อาจจะมีแต่เหล็กไม่มีแมงกานีส  แต่โดยทั่วไปแล้วจะมีโลหะทั้งสองประเภทนี้ปนเปื้อนอยู่ด้วยกัน  อัตราส่วนของเหล็กต่อแมงกานีสละลายน้ำนั้น จะมีอยู่ในช่วงระหว่าง 2:1 ไปจนถึง 20:1
                สาเหตุที่มีเหล็กและแมงกานีสละลายอยู่ในน้ำบาดาลมากกว่าน้ำผิวดิน ก็เพราะว่าน้ำบาดาลส่วนใหญ่จะอยู่ในสภาพไร้อากาศ (Anaerobic) ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีทาง Reduction เหล็กและแมงกานีสที่อยู่ใต้ดินนั้น มักจะอยู่ในรูปสาร FeCO3  และ MnCO3  (เกลือคาร์บอเนต) ซึ่งละลายน้ำได้ไม่มาก เมื่อเกิดปฏิกิริยาgปลี่ยนรูปเป็นเกลือไบคาร์บอเนต ก็จะสามารถละลายน้ำได้มากขึ้น ดังปฏิกิริยาต่อไปนี้

FeCO3+ CO2+ H2O   ไร้ออกซิเจน

   Fe  (HCO3 )2 

............(1)

   MnCO3+ CO2+ H2O   ไร้ออกซิเจน

   Mn (HCO3 )2  

............(2)

                และเมื่อน้ำบาดาลถูกสูบขึ้นมาสู่บรรยากาศ ก็จะสัมผัสกับออกซิเจน ทำให้เกิดปฏิกิริยา oxidation ทำให้เกิดการตกตะกอนดังนี้
 

4Fe (HCO 3)2+ 2O2 + H2O    

   4Fe (OH)3    + 8CO2  

...........(3)

2Fe (OH )3     

   Fe2 O3     + 3H2  

...........(4)

 Mn(HCO3)2  

   Mn +2  +2HCO -3  

...........(5)

Mn +2 +1O2+ H2O
2                  

   MnO2   + 2H

...........(6)

                  ซึ่ง  Fe (OH)3  และ  Fe2 Oจะมีสีแดงแบบสนิมเหล็ก ส่วน MnO2  จะมีลักษณะเป็นตะกอนผงละเอียดสีดำ
                  การกำจัดเหล็กและแมงกานีสออกจกน้ำกระทำได้อยู่หลายวิธีการ ดังต่อไปนี้

                 1.การเติมอากาศ/ออกซิเจน เพื่อกำจัดเหล็กและแมงกานีส

                  การเติมอากาศและออกซิเจนเข้าในน้ำ เพื่อให้เกิดออกซิเดชั่นนั้น มีอยู่ด้วยกันสามวิธี ซึ่งจะได้กล่าวถึงต่อไป
 


รูปที่ 1
Oxygenation of Fe+2   
 


รูปที่ 2 Removal of Mn+2  โดยการเติมออกซิเจน
  
 

 
รูปที่ 3 ระบบกำจัดเหล็กและแมงกานีสโดยการเติมอากาศ


  
             ขั้นตอนแรกจำเป็นต้องคำนวณหาปริมาณออกซิเจนที่ต้องใช้ เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น
                จากสูตร (3) จะเห็นได้ว่า Fe+2  จำนวน 224 กรัม (4 x 56) จะต้องใช้ O2 จำนวน 32 กรัม (ดูจากตารางที่ 2) หรือต้องใช้ O2  1 กรัม เพื่อกำจัด Fe+2  จำนวน 7.0  กรัม
              จากสูตร (6) จะเห็นได้ว่า  Mn+2  จำนวน 55 กรัม จะต้องใช้ O2 จำนวน 16 กรัม หรือต้องใช้ O2  1 กรัม เพื่อกำจัด Mn+2  จำนวน 3.5 กรัม
                ปฏิกิริยาระหว่างออกซิเจนกับเหล็กและแมงกานีส  ขึ้นอยู่กับค่า pH และค่อนข้างช้า ดังแสดงในรูปที่ 1 และ 2 จากรูปทั้งสองจะเห็นได้ว่าการเติมอากาศจะได้ผลดีกับการกำจัดเหล็ก และแทบจะไม่ได้ผลกับการกำจัดแมงกานีส เว้นเสียแต่ว่าจะต้องมีการปรับค่า pH เพื่อเร่งปฏิกิริยาในทางปฏิบัติหลังจากการเติมอากาศแล้ว ควรจะต้องมีถังเก็บน้ำ เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาอย่างต่อเนื่อง และเวลาที่ใช้ในการกักเก็บน้ำก็ควรจะมากกว่าค่าที่แสดงในรูปที่ 1 และ 2

                1.1  การเติมออกซิเจนโดยการเป่าอากาศ (Forced Air/Draft Aeration) การเติมออกซิเจนให้กับน้ำกระทำโดยใช้ถัง Packed Tower ลักษณะคล้ายคลึงกับการกำจัดก๊าซออกจากน้ำ Packing Media ที่ใช้อาจจะเป็นประเภทเดียวกันกับการกำจัดก๊าซ หรืออาจจะเป็นแผ่นไม้ (Wood Slate) วางเรียงสลับกันก็ได้ การเติมอากาศอาจจะใช้เครื่องเป่าอากาศเป่าเข้าทางด้านล่าง (Forced Air) สวนทางกับการไหลของน้ำ หรืออาจจะใช้พัดลมดูดอากาศดูดออกทางด้านบน (draft) ดังที่แสดงในรูป 3 ในกรณีหลังนี้จำเป็นต้องมีช่องเปิดให้อากาศไหลเข้าถังทางด้านล่างด้วย  หลังจากการเติมอากาศแล้ว จำเป็นต้องมีถังปฏิกิริยากักเก็บน้ำไว้อย่างน้อย 60 นาที  เพื่อให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ  ขนาดของถังอาจจะใหญ่พอที่จะเป็นถังตกตะกอนได้ด้วย  ถ้าการตกตะกอนไม่สมบูรณ์พอก็อาจจะต้องมีถังกรองไว้กรองโลหะเพิ่มเติม  ตัวกลางกรองที่ใช้อาจจะเป็นทรายหรือแอนทราไซต์

       ตารางที่ 1 Maximun Iron and Managanese Concentration for Industrial and Commerical Uses

           

       ตารางที่ 2 ตารางธาตูและน้ำหนักอะตอม



              การออกแบบถัง Packed Tower จะต้องคำนึงถึงเวลาในการสัมผัสระหว่างน้ำและอากาศ เพื่อให้มีการถ่ายเทออกซิเจนเข้าสู่น้ำอย่างเพียงพอ ซึ่งหมายถึงการกำหนดความสูงของ Packed Tower นั่นเอง ในการออกแบบจะกำหนดเวลาในการสัมผัสประมาณ 5 - 15 นาที  ภาระชลศาสตร์ของน้ำ (Hydraulic Loading Rate)  ประมาณ 5 - 24 ม.3/ม.2 ชม.  และอัตราส่วนอากาศต่อน้ำ ประมาณ 1:15 ถึง 1:30  ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพการถ่ายเทอากาศเข้าสู่น้ำ ซึ่งจะต่ำมาก อยู่ในช่วง 0.02 - 0.05%
              ขนาดของถังปฏิกิริยาและเก็บกักน้ำนั้น ต้องใช้เวลาในการเก็บกักดังที่กล่าวมาแล้ว ถ้าต้องการใช้เป็นถังตกตะกอนด้วยแล้ว อัตราภาระชลศาสตร์ (Surface Overflow Rate)  ไม่ควรจะเกิน 2.4 ม.3/ม.2 ชม.
              อัตราการกรองสำหรับถังกรอง จะอยู่ระหว่าง 5 -12 ม.3/ม.2 ชม.  ตัวกลางกรองที่ใช้ส่วนใหญ่จะเป็นแอนทราไซต์ ซึ่งมีค่า ES ประมาณ 1.2 - 1.5 ม.ม. และ UC ระหว่าง 1.1 - 1.3  การออกแบบถังกรอง ก็ใช้วิธีการที่กล่าวมาแล้วในเรื่องการกรอง

              ตัวอย่าง ก.

              น้ำบาดาลมีอัตราการไหล 10 ม3/ชม. ผลการวิเคราะห์น้ำปรากฎว่า มีเหล็กเจือปนอยู่ 3.5 มก./ล. และแมงกานีส 0.7 มก./ล. ให้ออกแบบถัง Packed Tower เพื่อกำจัดเหล็กและแมงกานีส

              วิธีการ เพื่อให้ได้ผลตามที่ต้องการควรจะต้องมีการปรับค่า pH ของน้ำด้วย

              ก 1.หาขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของ Packed Tower

              เลือกใช้ภาระชลศาสตร์                =           12.0  ม3/ม2 ชม.
              พื้นที่หน้าตัดของถัง                     =           10/12 = 0.83  ม
              เส้นผ่าศูนย์กลาง                           =           1.03  ม.

              ก.2 หาความสูงของถัง Packed Tower

              เลือกใช้เวลาน้ำสัมผัสอากาศ           =          10  นาที
              ความเร็วของน้ำไหลผ่านถัง            =          10  x =  0.20  ม./นาที
                                                                             0.83  60
              ความสูงของ Packing media  = 0.20x10 = 2.0  ม.

              ก.3  หาขนาดเครื่องเป่าอากาศ

              เหล็ก = 3.5 มก./ล. = 3.5  ก/ม3 x 10  ม3/ชม = 35  ก./ชม.
              ความต้องการออกซิเจน 1 ก. =  เหล็ก 7  ก.
              ดังนั้นต้องใช้ออกซิเจน = 35/7 = ก./ชม.
              แมงกานีส = 0.7  มก./ล. = 0.7  ก/ม3 x10  ม3/ชม  = 7  ก./ชม.
              ความต้องการออกซิเจน 1 ก. ต่อแมงกานีส 3.5 ก.
              ดังนั้นต้องใช้ออกซิเจน = 7/3.5 = 2  ก./ชม.
              ดังนั้นความต้องการออกซิเจน = 7+2 = 9  ก./ชม.
              เลือกใช้เป็น 2 เท่าของทฤษฎี = 9x2 = 18  ก./ชม.
              ในอากาศมีออกซิเจนอยู่ 21  %
              ดังนั้นความต้องการอากาศ =18 x 100/21 = 85.7  ก./ชม.
              เลือกใช้ประสิทธิภาพในการถ่ายเทอากาศเข้าสู่น้ำ = 0.05%
              ดังนั้นความต้องการอากาศที่แท้จริง = 85.7 x 100/0.05 = 171,400  ก./ชม.
              ความหนาแน่นของอากาศ = 1203  ก./ม.3
              ดังนั้นปริมาณอากาศที่ต้องการ = 171,400/1203 = 140  ม.3/ชม.
              ใช้ถัง packed tower ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 1.03  ม. มี packing media สูง 2.0  ม. และเครื่องเป่าอากาศขนาด 140  ม.3/ชม.

              1.2 การเติมออกซิเจนโดยมีการสัมผัสอากาศ (Natural Draft  Aeration) การเติมออกซิเจนเข้าสู่น้ำวิธีนี้กระทำโดยการโปรยน้ำผ่านชั้น  packing media หรือชั้นถาด (Tray) ที่มีถ่าน  coke  ขนาด 50-100 ม.ม. ซึ่งมีช่วงห่างแต่ละชั้นประมาณ 0.1-0.15 เมตร สัมผัสกับอากาศโดยธรรมชาติ ความสูงของถังจะอยู่ระหว่าง 1.20 - 1.90 เมตร ดังแสดงในรูป 4  อัตราภาระชลศาสตร์ (Hydraulic Loading Rate) จะอยู่ระหว่าง 24 - 48  ม.3/ม.2/ชม. เป็นระบบที่มีประสิทธิภาพต่ำมาก ไม่สามารถจะควบคุมการถ่ายเทออกซิเจนเข้าสู่น้ำได้อย่างแน่นอน

              1.3  การเติมอากาศลงในน้ำ (Diffused Aeration) การเติมอากาศแบบนี้ก็อาศัยหลักการเดียวกันกับการเติมอากาศในระบบบำบัดน้ำเสีย ประสิทธิภาพในการถ่ายเทอากาศเข้าสู่น้ำจะสูงกว่าเติมอากาศทั้งสองแบบที่กล่าวถึงเบื้องต้น แต่จะต้องใช้พลังงานในการอัดอากาศลงสู่น้ำสูงกว่า ประสิทธิภาพในการถ่ายเทอากาศขึ้นอยู่กับชนิดของตัวเติมฟองอากาศ  (Diffuser ) ถ้าตัวเติมฟองอากาศเป็นท่อพีวีซีเจาะรูธรรมดา  ก็จะมีประสิทธาภาพประมาณ 1 - 2 %  ถ้าเป็นตัวเติมฟองอากาศแบบฟองอากาศละเอียด (Fine Buddle Diffuser) ประสิทธิภาพอาจจะสูงถึง 15 % ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับความลึกของน้ำด้วย (ประมาณ 1 - 3  เมตร)

              ขนาดของบ่อเติมอากาศขึ้นอยู่กับเวลาที่ใช้กับการสัมผัส จะอยู่ประมาณ 10 - 15 นาที และ 60 นาที สำหรับบ่อปฏิกิริยา

              ขนาดกำลังของมอเตอร์ที่ใช้ขับเครื่องเป่าอากาศนั้น สามารถคำนวณได้จากสูตร

                                                             ...........(7)

              P  =  กำลังขับที่ต้องการ , กิโลวัตต์
             
W  =  น้ำหนักของอากาศที่ไหลผ่าน , กก./วินาที
               
R  =  gas constant , 8.314
             
T 1  =  อุณหภูมิที่ไหลเข้าเครื่องเป่าอากาศ, = (273+C) K
             
P 1  ความดันของอากาศที่ทางเข้าเครื่องเป่าอากาศ
              
       =  1  atmosphere =  10.33 เมตร  H2O ที่ระดับน้ำทะเล
              
P2  =  ความดันของอากาศที่ท่อเติมอากาศใต้น้ำ
               
      =  P 1  + ความลึกของท่อเติมอากาศใต้น้ำ + การสูญเสียพลังงานผ่านท่อและข้อต่อต่างๆ
                
E  =  ประสิทธิภาพของเครื่องเป่าอากาศ, 70 - 80 %
 


รูปที่4 แสดงการเติมออกซิเจนโดยการสัมผัสอากาศ (natural draft aeration)

 


รูปแสดง Diffused aeration

              ตัวอย่าง ข.

              จากตัวอย่าง ก.  ให้หาขนาดถังเติมอากาศ และขนาดเครื่องเติมอากาศ โดยใช้ตัวเติมอากาศแบบท่อพีวีซีเจาะรู

              วิธีการ.

              ข.1  หาขนาดถังเติมอากาศ

               เลือกใช้เวลาสัมผัส = 10 นาที

                          ปริมาตรถัง =  10  x 10  = 1.67   3
                                                60

              เลือกถังน้ำลึก 1.5 ม. และความกว้าง x ความยาว = 1.05 ม. x 1.05 ม.

              ข.2 หาขนาดเครื่องเติมอากาศ

              จากตัวอย่าง ก.  ความต้องการอากาศ = 85.7  ก./ชม.

              เลือกใช้ประสิทธิภาพในการถ่ายเทอากาศ = 0.5%

              ดังนั้นความต้องการอากาศที่แท้จริง = 85.7 x 100/0.05 = 17,140  ก./ชม.

              ความหนาแน่นของอากาศ = 1,203  ก./ม3

              ดังนั้นปริมาณอากาศที่ต้องการ =  17,140 / 1,203 =14.3  3/ชม.

              ตัวอย่าง ค.

              หาขนาดมอเตอร์ของเครื่องเป่าอากาศในตัวอย่าง ข.  ความลึกของท่อเติมอากาศจากผิวน้ำเท่ากับ 1.40 เมตร  การสูญเสียพลังงานผ่านท่อและข้อต่อต่างๆ เท่ากับ 1.0 เมตร อุณหภูมิอากาศเท่ากับ 25 C และประสิทธิภาพของเครื่องเป่าอากาศเท่ากับ 70%

              วิธีการ

              ค.1 หาค่าน้ำหนักอากาศที่ไหลผ่านเครื่องเป่าอากาศ

                        17,140  x  1  x  1   =   0.00476    กก./วินาที
                             1,000        60    60

              ค.2  แทนค่าลงในสูตร (6 - 7)

            
              
p  =  0.102 กิโลวัตต์

                      


|หน้าแรก|ประปาไทยดอตคอม|เทคโนโลยี|

ที่มา : การผลิตน้ำสำหรับอุตสาหกรรม ; อ.ไพศาล  วีรกิจ