การทดสอบประสิทธิภาพการกำจัดเหล็กออกจากน้ำบาดาล
โดยใช้แร่ไพโรลูไซต์ เพื่อนำไปใช้ในระบบประปาแบบ Conventional
ที่ สถานีผลิตน้ำประปาส่วนภูมิภาคศรีนคร จังหวัดสุโขทัย
ความเป็นมาและที่มาของปัญหา
เนื่องจากสถานีผลิตน้ำประปาศรีนคร จังหวัดสุโขทัย ผลิตน้ำประปาแจกจ่ายประชาชนด้วยแหล่งน้ำดิบที่เป็นน้ำใต้ดินหรือน้ำบาดาล ซึ่งน้ำใต้ดินมักจะมีปัญหาเรื่องแร่ธาตุที่มักจะละลายอยู่ในแหล่งน้ำค่อนข้างมากเป็นปกติของแหล่งน้ำประเภทนี้อยู่แล้ว แต่ปัญหาของน้ำบาดาลหรือน้ำใต้ดินแห่งนี้มีปัญหาเรื่องเหล็กละลายน้ำค่อนข้างมาก เพราะมีเหล็กละลายน้ำอยู่ในแหล่งน้ำดิบถึง 10 ppm ซึ่งมีปริมาณที่สูงกว่ามาตรฐานตามที่การประปาส่วนภูมิภาคได้กำหนดไว้ที่ 0.3 ppm เท่านั้น ส่วนระดับแมงกานีสละลายน้ำในน้ำดิบอยู่ที่ไม่เกิน 0.3 ppm ตามมาตรฐานของการประปาส่วนภูมิภาคกำหนดไว้ที่ 0.3ppm ซึ่งก็เกือบจะเกินมาตรฐานส่วนสภาพน้ำดิบที่มองเห็นด้วยตาเปล่าเมื่อสูบน้ำขึ้นมาระยะแรกน้ำจะมีลักษณะใสแจ๋ว พอทิ้งไว้ให้สัมผัสกับอากาศ หรือตั้งน้ำทิ้งไว้สักระยะนึง น้ำก็จะเริ่มเปลี่ยนสีค่อยๆเหลือง จนแดง จึงอาจจะทำให้เกิดปัญหากับชาวบ้านในเรื่องของการนำไปใช้อุปโภค บริโภค และกลิ่นคาวที่ไม่พึงประสงค์ รวมถึงสุขภัณฑ์ต่างๆภายในบ้าน และอันตรายถึงสุขภาพได้
วิธีที่ใช้แก้ปัญหาเดิมของสถานีผลิตน้ำประปาศรีนคร จังหวัดสุโขทัย ก่อนหน้านี้สถานีผลิตน้ำประปาแห่งนี้ได้ใช้แบบผลิตน้ำประปาบาดาลตามกรมทรัพยากรน้ำ แต่ผลที่ได้ไม่สามารถกำจัดเหล็กออกได้หมด หรือได้ไม่ดีเท่าที่ควร จนในเมื่อสองปีก่อนสถานีผลิตน้ำประปาแห่งนี้ได้ดำเนินการเปลี่ยนวิธีการผลิตน้ำเป็นแบบใหม่โดยใช้ระบบ Conventional ในการผลิตน้ำประปาเข้ามาช่วยจึงทำให้ผลน้ำและคุณภาพน้ำที่ได้เป็นไปตามมาตรฐาน แต่ต้องใช้ต้นทุนในการผลิตน้ำค่อนข้างมากเนื่องจากต้องใช้ปริมาณสารเคมี เข้ามาช่วยในการออกซิเดชั่น และการตกตะกอนเป็นจำนวนมาก จำนวนน้ำที่สามารถผลิตได้แต่ละชั่วโมงอยู่ที่ 50 ลบ.ม./ชั่วโมง ลักษณะการทำงานจะเป็นแบบอัตโนมัติคือ เมื่อถังน้ำใสเต็มระบบจะหยุดสูบน้ำขึ้นมาผลิตและจะผลิตอีกครั้งเมื่อถังน้ำใสอยู่ในระดับที่ตั้งไว้ก็จะเริ่มผลิตน้ำใหม่ ส่วนวิธีการผลิตสามารถดูได้ตามรูปภาพที่ 
วัตถุประสงค์
- เพื่อศึกษาประสิทธิภาพในการกำจัดเหล็กออกจากน้ำ โดยใช้แร่ไพโรลูไซต์ภายใต้การกรองแบบถังแรงดัน
- เพื่อศึกษาหาระยะเวลาในการล้างย้อนสารกรองแร่ไพโรลูไซต์ที่เหมาะสม
ข้อมูลเกี่ยวกับสารกรองแร่ไพโรลูไซต์
ไพโรลูไซต์ (Pyrolusite)ไพโรลูไซต์เป็นชื่อของแร่ชนิดหนึ่ง (ภาพที่ 1) องค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นแมงกานีสไดออกไซด์(manganese dioxide สูตรเคมี MnO2) (ประมาณร้อยละ 40 – 85 โดยน้ำหนัก) มีความสำคัญเนื่องจากเป็นสินแร่ของแมงกานีสไพโรลูไซต์มีสีดำ มีลักษณะอสัณฐาน (amorphous appearing mineral) ส่วนใหญ่พบโครงสร้างเป็นเม็ด เส้นใย หรือเป็นแท่ง ( a granular, fibrous or columnar structure) แต่บางครั้งอาจรวมกันเป็นแผ่นรูปไต (reniform crusts) ไพโรลูไซต์มีความวาวแบบโลหะ ( metallic luster) สีผงดำหรือน้ำเงินดำ (black or bluish-black streak) และเปื้อนนิ้วเมื่อสัมผัส ( readily soils the fingers)ไพโรลูไซต์มีความถ่วงจำเพาะประมาณ 4.8 ชื่อไพโรลูไซต์มาจากภาษากรีก ไพโร และ ลูซิส โดย ไพโร (pyro) แปลว่าไฟ และ ลูซิส (lousis) แปลว่า การล้าง ซึ่งอ้างอิงมาจากการใช้ ไพโรลูไซต์ในการล้างสีออกจากแก้ว(remove tints from glass)
จากคู่มือการออกแบบเรื่อง Removal of Arsenic from Drinking Water Supplies by Iron Removal Process ปี 2006 ได้กล่าวถึงไพโรลูไซต์และให้คำแนะนำในการใช้ ไว้ดังนี้ ไพโรลูไซต์มีการจัดเรียงตัว
หลากหลายทำให้มีพื้นที่ผิวมากสำหรับกระบวนการออกซิเดชั่ นเหล็กและแมงกานีสที่ละลายในน้ำ โดย
สามารถกำจัดเหล็กได้ที่ระดับความเข้มข้นสูงกว่า 20 มิลลิกรัมต่อลิตร ไพโรลูไซต์เป็นสารออกซิไดซ์ที่มี
ขนาดหยาบ (8 ถึง 20 mesh) มีความถ่วงจำเพาะสูง และเป็นสารที่มีลักษณะแข็งคล้ายทราย มีอัตราการสลายตัว
ร้อยละ 2 ถึง 3 ต่อปี การใช้ไพโรลูไซต์ สามารถใช้ได้หลายลักษณะ เช่น
(1) ผสมกับทรายในอั ตราส่วนร้อยละ10 ถึง 50 โดยน้ำหนัก เป็นสารกรองผสมสำหรับใช้ในกระบวนการออกซิเดชั่น
(2) ใช้ไพโรลูไซต์ทั้งหมดในขนาดที่เหมาะสม เพื่อใช้ในกระบวนการออกซิเดชั่นและการกรอง
การออกแบบถังกรองแรงดัน ควรออกแบบที่ 35 แกลลอนต่อนาที/ตารางฟุต (gpm/ft2) และไม่จำเป็นต้องใช้สารเคมีในกระบวนการคืนสภาพโดยการล้างย้อนจะเป็นสิ่งที่สำคัญมาก เนื่องจากเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพในการกำจัดเหล็กและแมงกานีสให้สารกรองความหนาแน่นของไพโรลูไซต์อยู่ในช่วงประมาณ 120 ปอนด์/ลูกบาศก์ฟุต ทำให้ต้องใช้ อัตราการล้างย้อนประมาณ 25 ถึง 30 แกลลอนต่อนาที/ตารางฟุต มีวัตถุประสงค์เพื่ อให้สารกรองขยายตัวกลับขึ้นมาเพื่อเป็นการขัดล้างสารกรอง และเพื่อให้สารกรองมีการจัดเรียงตัวใหม่ แต่หากมีการใช้งานอย่างต่อเนื่อง ควรจะต้องใช้ลมช่วยระหว่างการล้างย้อนด้วย หรือหากมีการล้างย้อนด้วยน้ำเพียงอย่างเดียวควรใช้ลมก่อนที่จะทำการล้างย้อนใช้ อั ตราการล้างย้อนด้วยน้ำ 30 แกลลอนต่อนาที/ตารางฟุต เพื่อให้สารกรองขยายตัวขึ้นอย่างน้อยร้อยละ 30 หากมีการใช้กรวดรองพื้นระบบ ควรออกแบบให้มีตัวกักเก็บกรวดด้วย ผู้ผลิตส่วนใหญ่แนะนำการล้างย้อนทุกวันเพื่อรักษาประสิทธิภาพในการออกซิเดชั่นของสารกรองและการกำจัดเหล็ก
ไพโรลูไซต์ (Pyrolusite)ไพโรลูไซต์เป็นชื่อของแร่ชนิดหนึ่ง (ภาพที่ 1) องค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นแมงกานีสไดออกไซด์(manganese dioxide สูตรเคมี MnO2) (ประมาณร้อยละ 40 – 85 โดยน้ำหนัก) มีความสำคัญเนื่องจากเป็นสินแร่ของแมงกานีสไพโรลูไซต์มีสีดำ มีลักษณะอสัณฐาน (amorphous appearing mineral) ส่วนใหญ่พบโครงสร้างเป็นเม็ด เส้นใย หรือเป็นแท่ง ( a granular, fibrous or columnar structure) แต่บางครั้งอาจรวมกันเป็นแผ่นรูปไต (reniform crusts) ไพโรลูไซต์มีความวาวแบบโลหะ ( metallic luster) สีผงดำหรือน้ำเงินดำ (black or bluish-black streak) และเปื้อนนิ้วเมื่อสัมผัส ( readily soils the fingers)ไพโรลูไซต์มีความถ่วงจำเพาะประมาณ 4.8 ชื่อไพโรลูไซต์มาจากภาษากรีก ไพโร และ ลูซิส โดย ไพโร (pyro) แปลว่าไฟ และ ลูซิส (lousis) แปลว่า การล้าง ซึ่งอ้างอิงมาจากการใช้ ไพโรลูไซต์ในการล้างสีออกจากแก้ว(remove tints from glass)
จากคู่มือการออกแบบเรื่อง Removal of Arsenic from Drinking Water Supplies by Iron Removal Process ปี 2006 ได้กล่าวถึงไพโรลูไซต์และให้คำแนะนำในการใช้ ไว้ดังนี้ ไพโรลูไซต์มีการจัดเรียงตัว
หลากหลายทำให้มีพื้นที่ผิวมากสำหรับกระบวนการออกซิเดชั่ นเหล็กและแมงกานีสที่ละลายในน้ำ โดย
สามารถกำจัดเหล็กได้ที่ระดับความเข้มข้นสูงกว่า 20 มิลลิกรัมต่อลิตร ไพโรลูไซต์เป็นสารออกซิไดซ์ที่มี
ขนาดหยาบ (8 ถึง 20 mesh) มีความถ่วงจำเพาะสูง และเป็นสารที่มีลักษณะแข็งคล้ายทราย มีอัตราการสลายตัว
ร้อยละ 2 ถึง 3 ต่อปี การใช้ไพโรลูไซต์ สามารถใช้ได้หลายลักษณะ เช่น
(1) ผสมกับทรายในอั ตราส่วนร้อยละ10 ถึง 50 โดยน้ำหนัก เป็นสารกรองผสมสำหรับใช้ในกระบวนการออกซิเดชั่น
(2) ใช้ไพโรลูไซต์ทั้งหมดในขนาดที่เหมาะสม เพื่อใช้ในกระบวนการออกซิเดชั่นและการกรอง
การออกแบบถังกรองแรงดัน ควรออกแบบที่ 35 แกลลอนต่อนาที/ตารางฟุต (gpm/ft2) และไม่จำเป็นต้องใช้สารเคมีในกระบวนการคืนสภาพโดยการล้างย้อนจะเป็นสิ่งที่สำคัญมาก เนื่องจากเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพในการกำจัดเหล็กและแมงกานีสให้สารกรองความหนาแน่นของไพโรลูไซต์อยู่ในช่วงประมาณ 120 ปอนด์/ลูกบาศก์ฟุต ทำให้ต้องใช้ อัตราการล้างย้อนประมาณ 25 ถึง 30 แกลลอนต่อนาที/ตารางฟุต มีวัตถุประสงค์เพื่ อให้สารกรองขยายตัวกลับขึ้นมาเพื่อเป็นการขัดล้างสารกรอง และเพื่อให้สารกรองมีการจัดเรียงตัวใหม่ แต่หากมีการใช้งานอย่างต่อเนื่อง ควรจะต้องใช้ลมช่วยระหว่างการล้างย้อนด้วย หรือหากมีการล้างย้อนด้วยน้ำเพียงอย่างเดียวควรใช้ลมก่อนที่จะทำการล้างย้อนใช้ อั ตราการล้างย้อนด้วยน้ำ 30 แกลลอนต่อนาที/ตารางฟุต เพื่อให้สารกรองขยายตัวขึ้นอย่างน้อยร้อยละ 30 หากมีการใช้กรวดรองพื้นระบบ ควรออกแบบให้มีตัวกักเก็บกรวดด้วย ผู้ผลิตส่วนใหญ่แนะนำการล้างย้อนทุกวันเพื่อรักษาประสิทธิภาพในการออกซิเดชั่นของสารกรองและการกำจัดเหล็ก
วิธีการทดลองและอุปกรณ์การทดลอง
การทดลองครั้งนี้จะเป็นการทดลองประสิทธิภาพในการกำจัดเหล็กจากน้ำบาดาล โดยใช้แร่ไพโรลูไซต์ที่ใช้นำมาผลิตน้ำประปา ของสถานีผลิตน้ำประปาศรีนคร โดยไม่ผ่านกรรมวิธีการเติมอากาศ การเติมสารเคมี และการตกตะกอน โดยวิธีการทดลองจะมีการออกแบบดังนี้
- เติมน้ำบาดาลใส่ถังพักน้ำขนาด 100 ลิตร เพื่อดูดน้ำเข้าถังกรองให้ได้อัตราการไหลที่กำหนด 200 ลิตรต่อชั่วโมง เพื่อให้ได้อัตราการไหลที่คงที่ เนื่องจากที่นี่จะมีการผลิตน้ำแบบอัตโนมัติ เมื่อถังน้ำใสเต็มจะหยุดการผลิตทันที
- เมื่อน้ำที่ถูกพักในถังจะถูกดูดขึ้นมาผ่านถังกรองแรงดันสแตนเลส ที่ใส่ไพโรลูไซต์ที่ความสูงชั้นสาร 60 เซนติเมตร โดยไม่เติมสารเคมี คลอรีน หรือกรรมวิธีในการออกซิเดชั่นเพิ่ม ก่อนกรองมีการทำความสะอาดสารกรองโดยการล้างย้อน 30 นาที
- ระยะเวลาที่ใช้ในการทำทดลองคือ 48 ชั่วโมง โดยไม่มีการล้างย้อน เมื่อครบ 48 ชั่วโมงทำการล้างย้อนหนึ่งครั้ง ใช้เวลาในการล้างย้อน 10 นาทีและลองดูประสิทธิภาพการกำจัดว่าสามารถกลับมาทำงานได้เหมือนเดิมหรือไม่
- ทำการเก็บตัวอย่างและวัดผล น้ำก่อนกรอง และหลังกรอง และทำการจดบันทึก
ผลการทดลองประสิทธิภาพ
จาการเก็บผลทดลองสามารถนำมาเปรียบเทียบเป็นกราฟแสดงผลได้ดังนี้
จากการศึกษาและเปรียบเทียบผลทดลองแสดงให้เห็นว่า แร่ไพโรลูไซต์ สามารถกำจัดเหล็กละลายน้ำได้โดยไม่ต้องใช้สารเคมี หรือการเติมสารเคมีในการออกซิเดชั่นเพิ่ม จากกราฟที่แสดง ได้แสดงให้เห็นว่าค่าที่ได้อยู่ในระดับที่ต่ำกว่า มาตราฐานกำหนดที่ 0.3 ppm จากการทดลองผลที่ได้จากการกรองมีเหล็กคงเหลือเพียง 0.00-0.32 ppm (ดูตารางการทดลอง ภาค ผนวก) น้ำดิบที่เข้าระบบ มีเหล็ก เฉลี่ยอยู่ที่ 8.30 ppm ซึ่งเกินกว่าค่ามาตรฐานที่กำหนดไปมาก
โดยในชั่วโมงที่ 4 ค่าที่เกินมาตรฐาน 0.32 ppm เนื่องจากเป็นการตรวจสอบข้อผิดพลาด ในเรื่องของแรงดันน้ำที่เกิดจากการหยุดผลิตอัตโนมัติของระบบประปา ส่วนในชั่วโมงที่ 46 ค่าที่เกินมาตรฐาน 0.31 ppm เกิดจากหน้าสัมผัสของไพโรลูไซต์เริ่มเต็ม และถึงกำหนดเวลาในการล้างย้อนทำความสะอาดสารกรอง เวลาที่เหมาะสมในการล้างย้อนคือ 24 ชั่วโมง แต่ในกรณีนี้เรากำหนดในการทดลองเพื่อดูประสิทธิภาพ 48 ชั่วโมง ก่อนที่จะทำการล้างย้อนและดูค่าเริ่มต้นอีกครั้ง เนื่องจากสถานีผลิตน้ำประปาศรีนครกำหนดการล้างย้อนบ่อทรายที่ 48 ชั่วโมง
นอกจากนี้การศึกษาประสิทธิภาพในการกำจัดเหล็กแล้ว เรายังสามารถวิเคราะห์แมงกานีสไปพร้อมกันได้อีกด้วย จากมาตรฐานที่กำหนดไว้ 0.3 ppm ของแมงกานีสละลายน้ำ ไพโรลูไซต์ก็สามารถกำจัดแมงกานีสออกได้เช่นเดียวกัน และไม่เกินมาตรฐานที่กำหนด โดยค่าเฉลี่ยแมงกานีส ในน้ำดิบอยู่ 0.271 ppm ประสิทธิภาพในการทดลองของไพโรลูไซต์ครั้งนี้กำจัดได้ ต่ำสุดที่ 0.000 ppm และสูงสุดที่ 0.070 ppm ซึ่งก็ยังคงอยู่ในมาตรฐานที่กำหนด
หมายเหตุ -อัตราการไหลของน้ำเฉลี่ยอยู่ที่ 200 ลิตรต่อชั่วโมง
-ใช้น้ำดิบ จากน้ำบาดาลต้นทาง ไม่ผ่านสารเคมี หรือคลอรีน ก่อนกรอง
-มาตรฐานที่กำหนด อ้างอิงจากมาตรฐานคุณภาพน้ำประปาของการประปาส่วนภูมิภาค ตามคำแนะนำขององค์การอนามัยโลก (WHO) ปี 2011
สรุปผลการศึกษาและข้อเสนอแนะในการใช้งาน
จากการทดลองประสิทธิภาพแสดงให้เห็นได้ว่า แร่ไพโรลูไซต์สามารถกำจัดเหล็กได้จริง โดยไม่ต้องใช้สารเคมีเป็นตัวช่วย และสามารถกำจัดเหล็กออกจากน้ำดิบได้ในปริมาณมาก จากการศึกษาเบื้องต้นนอกจากจะใช้กับถังแรงดันแล้ว บ่อกรองเปิดแบบแรงโน้มถ่วงก็ยังคงสามารถใช้ได้ต้องขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่เหมาะสม
1. การใช้งานไพโรลูไซต์ ไม่จำเป็นต้องใช้สารเคมีในการฟื้นฟู แต่สิ่งที่จำเป็นที่สุดคือ การล้างย้อน เนื่องจากไพโรลูไซต์ใช้หน้าสัมผัสในการทำปฏิกิริยา ดังนั้นการล้างย้อน และการขัดผิวเป็นสิ่งสำคัญ จึงควรมีการล้างย้อนบ่อยๆ เพื่อให้ประสิทธิภาพการทำงานที่ดีขึ้น ข้อแนะนำในการล้างย้อน คือ ทุก 24 ถึง 48 ชั่วโมง
2.การใช้งานร่วมกับสารอื่น เช่น คลอรีน โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต โอโซน และออกซิเจน สามารถใช้งานร่วมกันได้ และมีประสิทธิภาพมากขึ้น พร้อมยังช่วยยืดอายุสารกรองไพโรลูไซต์ให้ใช้งานได้ยาวนานขึ้นไปอีก
3. สารเคมีต้องห้าม ที่ห้ามใช้กับไพโรลูไซต์ คือ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์
เอกสารอ้างอิง
พรศักดิ์ สมรไกรสรกิจ. มกราคม 2559. การศึกษาประสิทธิภาพการกำจัดแมงกานีสของไพโรลูไซต์เปรียบเทียบ กับแมงกานีสกรีนแซนด์และแมงกานีสซีโอไลต์.
Crittenden, C. John. 2012. MWH’s Water Treatment Principles and Design. 3rd edition. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.
Hoffman, L. Gary. 2006. Design Manual: Removal of Arsenic from Drinking Water Supplies by Iron Removal Process. Cincinnati, Ohio: National Risk Management Research Laboratory, Office of Research and Development, U.S. Environmental Protection Agency.