مرجع تخصصی آب و فاضلاب

روش‌های سنتی و نوین حذف آهن و منگنز در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. اهمیت حذف آهن و منگنز

آهن (Fe) و منگنز (Mn) از جمله فلزات محلول در آب هستند که باعث ایجاد مشکلاتی مانند لکه‌دار کردن سطوح، طعم و بوی نامطبوع، و رسوب‌گیری در لوله‌ها می‌شوند.

• استانداردهای مجاز:

  • آهن: ≤ ۰.۳ mg/L (WHO/EPA).

  • منگنز: ≤ ۰.۰۵ mg/L.

۲. روش‌های سنتی حذف آهن و منگنز

الف. هوادهی و اکسیداسیون

• مکانیسم: تبدیل آهن و منگنز محلول (Fe²⁺, Mn²⁺) به اشکال نامحلول (Fe³⁺, Mn⁴⁺) با استفاده از اکسیژن.

• طراحی:

  • برج‌های هوادهی (Aeration Towers): استفاده از پکینگ برای افزایش سطح تماس هوا-آب.

  • آب‌فشان‌ها (Cascades): ایجاد آبشار برای افزایش اکسیژن‌دهی.

• فرمول اکسیداسیون:

  ۴Fe²⁺ + ۳O₂ + ۶H₂O → ۴Fe(OH)₃↓ (زرد-قرمز)  
  ۲Mn²⁺ + O₂ + ۲H₂O → ۲MnO₂↓ (سیاه)  

ب. فیلتراسیون با رسانه‌های اکسیدکننده

• رسانه‌ها:

  • گرین سند (Greensand): پوشش‌دهی با منگنز اکسید (MnO₂) برای کاتالیز اکسیداسیون.

  • BIRM (Batalytic Iron Removal Media): ترکیب سیلیس و اکسید آهن.

• پارامترهای طراحی:

  • سرعت فیلتراسیون: ۵–۱۵ m³/h/m².

  • شستشوی معکوس: با آب یا هوا برای احیای رسانه.

ج. اکسیداسیون شیمیایی

• مواد شیمیایی:

  • کلر (Cl₂): اکسیداسیون سریع آهن و منگنز.

    • دوز: ۰.۶–۱.۲ mg Cl₂ به ازای هر mg آهن/منگنز.

  • پرمنگنات پتاسیم (KMnO₄): مؤثر برای منگنز.

    • واکنش:

      ۳Mn²⁺ + ۲KMnO₄ + ۲H₂O → ۵MnO₂↓ + ۲K⁺ + ۴H⁺  

۳. روش‌های نوین حذف آهن و منگنز

الف. فیلتراسیون غشایی (نانوفیلتراسیون/اسمز معکوس)

• مکانیسم: حذف یون‌ها با استفاده از غشاهای نیمه‌تراوا.

• پارامترها:

  • شار غشا: ۱۰–۳۰ LMH (لیتر بر متر مربع در ساعت).

  • راندمان: > ۹۵% برای آهن و منگنز.

ب. تصفیه بیولوژیکی

• مکانیسم: استفاده از باکتری‌های اکسیدکننده (مثل Gallionella برای آهن و Leptothrix برای منگنز).

• طراحی:

  • بیوراکتورهای هوازی: زمان ماند ۴–۸ ساعت، DO ≥ ۲ mg/L.

  • فیلترهای بیولوژیکی: استفاده از شن یا زغال به عنوان بستر رشد باکتری.

ج. اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)

• ترکیبات: UV/پراکسید هیدروژن (H₂O₂) یا ازون (O₃).

• مکانیسم: تولید رادیکال‌های OH· برای اکسیداسیون سریع.

د. رزین‌های تبادل یونی

• مکانیسم: جایگزینی یون‌های آهن و منگنز با یون‌های بی‌ضرر (مانند Na⁺).

• محدودیت: مناسب برای غلظت‌های پایین (Fe < ۵ mg/L).

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه دوز کلر

• فرمول:

  دوز کلر (mg/L) = (غلظت آهن + غلظت منگنز) × ۱.۵  

  • مثال: آهن = ۲ mg/L، منگنز = ۱ mg/L → دوز = ۴.۵ mg/L.

ب. محاسبه سطح فیلتر گرین سند

• فرمول:

  سطح (m²) = دبی (m³/h) / سرعت فیلتراسیون (m/h)  

  • مثال: دبی ۱۰ m³/h، سرعت ۱۰ m/h → سطح = ۱ m².

ج. انرژی مورد نیاز AOPs

• فرمول:

  انرژی (kWh/m³) = (توان دستگاه (W) × زمان تماس (h)) / دبی (m³/h)  

۵. طراحی سیستم‌ها

الف. سیستم هوادهی + فیلتراسیون

• اجزا:

  • هوادهی: برج پکینگ با دمنده هوا.

  • فیلتر: لایه‌های شن و گرین سند.

• مصالح: فایبرگلاس (FRP) برای مقاومت در برابر خوردگی.

ب. سیستم بیولوژیکی

• پارامترها:

  • بار آلی: ۰.۱–۰.۳ kg Fe/m³/day.

  • کنترل pH: ۶.۵–۷.۵ برای رشد بهینه باکتری.

ج. سیستم نانو فیلتراسیون

• تجهیزات:

  • پمپ فشار بالا (۸–۲۰ bar).

  • غشاهای پلی آمیدی یا سلولزی.

۶. مقایسه روش‌ها

روش مزایا معایب هزینه

هوادهی بدون مواد شیمیایی نیاز به فیلتراسیون تکمیلی کم

گرین سند مناسب برای غلظت‌های بالا نیاز به احیای دوره‌ای با KMnO₄ متوسط

بیوفیلتر سازگار با محیط زیست زمان راه‌اندازی طولانی متوسط

نانوفیلتراسیون حذف کامل یون‌ها هزینه بالای انرژی و نگهداری بالا

۷. اجرا و چالش‌ها

• رسوب‌گیری: نیاز به شستشوی معکوس دوره‌ای در فیلترها.

• مدیریت لجن: لجن اکسید آهن/منگنز نیاز به خشک‌کردن و دفع ایمن دارد.

• تغییرات کیفیت آب: پایش مداوم pH و غلظت آهن/منگنز.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۵۰ m³/day

• غلظت آهن: ۵ mg/L، منگنز: ۱ mg/L

• روش انتخابی: هوادهی + فیلتر گرین سند.

محاسبات:

• هوادهی: زمان تماس ۳۰ دقیقه → حجم مخزن = ۵۰ m³/day / ۲۴ ≈ ۲.۱ m³.

• فیلتر گرین سند:

  • سرعت فیلتراسیون ۱۰ m/h → سطح = ۵۰/۲۴/۱۰ ≈ ۰.۲۱ m².

  • قطر فیلتر: (۰.۲۱ × ۴/π)√ ≈ ۰.۵ متر.

تجهیزات:

• برج هوادهی با پکینگ پلی پروپیلن.

• فیلتر گرین سند با سیستم شستشوی معکوس خودکار.

۹. نتیجه‌گیری

انتخاب روش حذف آهن و منگنز به عواملی مانند غلظت اولیه، هزینه، و پایداری محیطی بستگی دارد. روش‌های سنتی مانند هوادهی و گرین سند برای سیستم‌های کوچک و متوسط مناسب هستند، در حالی که فناوری‌های نوین مانند نانو فیلتراسیون و AOPs برای آب‌های با غلظت بسیار بالا یا نیاز به کیفیت ممتاز پیشنهاد می‌شوند. ترکیب روش‌ها (مثل هوادهی + بیوفیلتر) می‌تواند راندمان را بهینه کند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب