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自來水之連續監測鐵與錳以優化過濾效能
Iron and Manganese in Drinking Water : 
自來水之連續監測鐵與錳以優化過濾效能
Continuous Iron and Manganese monitoring optimizes filter performance
 
Problem 問題描述
自來水處理過程中砂濾程序之效能可透過鐵和錳的濃度變化來觀察。然而,實驗室分析儀在分析鐵和錳的時間上並不即時,因而難以有效及時的管理砂濾程序。
 
Solution 解決方案
Hach®EZ系列分析儀能夠測量多達8個水樣流,快速提供關於鐵或錳的連續監測數據。丹麥的研究人員正利用此產品功能從根本上重新設計水處理的過濾程序。
 
Benefit 方案優勢
Hach EZ系列分析儀連續監測能提供快速且及時的警示, 包括是否需要進行過濾反沖洗,進而優化程序,改善流程,將停機時間最小化;保護水質並降低成本。能夠避免潛在的水質風險,自來水廠研究人員也能更好的評估新的過濾和相關技術。
 
Hach®EZ系列線上比色原理分析儀能夠全天候檢測多種參數,而自來水程序中的鐵和錳是非常重要的兩個指標參數,接下來就針對這兩個指標的線上監測提供一份應用案例分析報告。
 
應用實例 背景介紹
鐵和錳通常並存於地下水等水源中,但錳的濃度通常要低得多
 
錳天然存在於土壤、大多數地表水和地下水中,由於其在酶的作用中扮演一定的角色,錳元素為許多生命體的基本元素。對人類來說,錳的最大來源通常是食物。胃腸道吸收的錳由身體調節以維持體內錳的平衡,因此通過口服獲得的錳通常被認為是毒性較小的元素之一。然而根據最近的研究,飲用水中的錳的參考值一直有待商榷。
 
鐵是地殼中一種豐富的金屬,主要以氧化物的形式存在。鐵離子Fe2+和Fe3+很容易與含氧和含硫化合物化合,形成氧化物、氫氧化物、碳酸鹽和硫化物。鐵也是人體必需的微量元素,它在血液和酶中扮演關鍵的角色。
 
河流中的鐵濃度通常較低,一般為0.7 mg/L。處於厭氧的地下水中鐵通常以Fe2+的形式存在,濃度通常為0.5-10 mg/L,但個別極端濃度可能高達50 mg/L。飲用水中的鐵含量通常低於0.3 mg/L。但在使用鐵鹽作為絮凝劑的國家以及在配水管網中使用鑄鐵、鋼和鍍鋅鐵管的國家,其飲用水的鐵含量可能更高。
 
5 Reasons for Monitoring 需要監測鐵與錳的五大原因 : 
 
1. Complaints 居民抱怨
 自來水的變色、異味和固形物是民眾投訴飲用水的最常見原因。處理這些投訴以及進行調查和實施補救措施的成本可能非常高。濁度在自來水廠中是最常見的預警指標,透過濁度分析儀的警示訊號,工作人員可以採取措施將混濁的水從配水管網中分流出來,避免進一步問題升級。但渾濁可能是由各種問題引起的,而鐵和錳的增多是由特定問題引起的,因此監測有助於查明原因並採取合適的緩解措施。
 
2. Health 健康風險 
鐵和錳對健康的危害很小,但是細菌會導致腐蝕並使鐵濃度升高因而出現與細菌有關的風險。對人類來說,鐵的致死劑量是體重的200-250mg/kg,該劑量會導致大量的胃腸道出血。但鐵中毒是非常罕見的,因為喝飲用水的鐵攝入量通常很低,不大會引起健康問題。不過,氧化鐵被認為是金屬和半金屬的有效清除劑,這有可能會導致砷含量的增加,而砷是一種具有高健康風險的元素。
 
3. Regulatory 政府監管
許多政府或組織(包括飲用水供應商和飲料業)都會針對鐵和錳的最大濃度制定相關法規或標準。
1998年11月3日頒布的歐盟飲用水指令98/83/EC對於人類飲用水品質:就最低要求而言,用於人類飲用的水應是健康和清潔的:(a)不含任何微生物和寄生蟲,不含對人體健康構成潛在危險的任何數量或濃度之物質,(b)滿足附錄I 裡A和B部分中規定的最低要求。在附錄1裡C部分“參數指標”中包括了標準錳含量為0.05 mg/L和鐵為0.2 mg/L。不過之前的大部分指標參數已被移至附錄四,該附主附錄要涉及消費者的資訊。理由是指標參數不提供與健康相關的資訊,而是提供消費者感興趣的資訊(如味道、顏色和硬度)。
 
對於那些使用鐵鹽作為磷酸鹽去除混凝劑的廢水處理廠,排放批准中也會包括對鐵(通常為總鐵)含量的限制。
 
美國環保署已針對會影響飲用水外觀但不會對人類健康造成危害的污染物制定二級最大污染水準(SMCLs)。SMCLs不是聯邦強制執行,除非各州有相關要求,公共水處理設施不一定非要對其進行監測。
 
SMCLs規定的鐵含量為0.3mg/L,潛在的外觀問題包括鏽色,沉澱物,金屬味,以及紅色和橘色的水染色。SMCLs規定的錳含量為0.05 mg/L,潛在的外觀問題為黑棕色,黑色染色和苦澀的金屬味。
 
美國環保署認為,如果這些污染物存在於水中並超出標準,即使水實際上是可以安全飲用的,這些污染物可能會導致人們停止使用來自公共供水系統的水。因此,二級標準(SMCLs) 是向公共水系統提供一些關於如何將這些化學物質去除到低於大多數人會注意到的水準的指導。此外,一些動物也會拒絕飲用這些氣味或者顏色有異常的水源。
 
4. Scaling and Corrosion 結垢和腐蝕 
處理蒸汽或冷卻水的工業廠房所使用的鑄鐵管道和設備易受多種腐蝕機制的影響。機械和化學腐蝕可以從鋼表面剝離和溶解鐵,而這種未結合的鐵可以沉積在水處理系統中的其他點的表面上,進而導致進一步的腐蝕。透過監測水樣中鐵的含量能夠及時瞭解管道或鍋爐的腐蝕情況或針對性處理。
 
5. Chemical cost reduction 降低成本 
對於使用鐵鹽作為絮凝劑的水處理廠來說,這些化學物質可能會帶來很大的成本。因此,儘管使用足夠的混凝劑以去除固體很重要,但也不能過量投放鐵鹽,因為這樣會使過濾器超載並將殘留的鐵鹽留在水中,因而導致浪費。
 
持續監控-工作原理 Continuous monitoring – how it works
HACH®EZ系列分析儀採用線上比色技術,能夠準確可靠地測量關鍵水質參數。智慧,自動化的操作和功能有助於提高分析儀的的分析性能,將停機時間減到最少,並且無需操作人員干預。機器清洗是自動的,而校正和驗證頻率都可以由使用者設定。EZ1000系列能夠同時測量最多8個水樣流,如此即降低每個採樣點的成本。但是在下達指令時需要保證指令精準詳細。
 
EZ1000鐵線上分析儀使用TPTZ試劑,其在反應時會形成很深的藍紫色,以此測量溶解鐵(II)、鐵(III)和總溶解鐵(II+III),循環時間為15分鐘,標準測量範圍為0-1 mg/L。但可通過校正曲線的設定或稀釋功能來測量低濃度(0-0.1mg/L)或高濃度(0-10mg/L)的水樣。
 
EZ1000錳線上分析儀使用甲醛肟法在450nm處測量溶解錳Mn(II),標準測量範圍為0-1 mg/LMn,量程同樣可以有多種可選,循環時間為10分鐘。
 
如果客戶想同時測試總鐵或總錳的含量,可以選擇EZ2000系列總錳分析儀,其有一個內部水樣消化裝置,能夠在分析前提供一個額外步驟用於消解不溶性或複合型的金屬,進而達到總鐵或總錳的分析。
 
連續監測的優點 The advantages of continuous monitoring
一般來說,實驗室分析水質參數有助於偵測趨勢及辨識潛在問題度。然而,在採樣和傳遞結果之間有時間延遲,並且偶爾採樣可能會因為錯過了濃度峰值而監測不出風險。連續監測對於上升的濃度提供更即時的警示並有助於辨識原因。此外,EZ系列線上分析儀提供標準的4-20mA信號輸出並配有警示程式,在量程內的異常濃度都可以被監測到,並發出警示訊號,控制中心因而可以採取適當及時的措施。
 
案例研究:丹麥VIA大學研究專案 Case Study: VIA University College
在一個由丹麥環境保護局資助,VIA大學管理的研究和開發專案中,研究人員正在重新思考飲用水的生產過程來重新設計水處理方案。該項目的合作夥伴包括Aarhus Water, VandcenterSyd, Vand & Teknik, Amphi-Bac, Dansk Kvartsindustri和NIRAS。該專案的目標是建立一個小而優質的自來水廠,其主要特點有:
  • 更強大的處理能力 greater treatment capacity
  • 更有效率的生產  more efficient production
  • 縮短啟動時間 shorter start-up periods
  • 節省能源 energy savings
  • 改善水質 improved water quality
 
在丹麥,飲用水的供應主要來自地下水,政府的立場是飲用水應來自純淨的地下水,這些純淨的水只需要透過簡單的曝氣、pH調整、過濾然後即可進行輸送至居民家中。砂濾程序在丹麥已使用了100多年,該過濾開發專案的結果將於2020年在IWA水大會(丹麥)上公佈。
 
世界各地的水處理廠普遍採用砂濾器,砂濾器有助於去除懸浮固體和病原體,改善味道和顏色而無需額外的化學物質。這些砂濾器需要透過定期的反沖洗來保持最佳效能,反沖洗能夠清除集聚的顆粒並提高流速。然而,反沖洗過程會打斷水處理過程。因此有必要進行監測以優化過濾效能。目前較普遍的做法是連續監測濁度和流速,但化學指標的分析可以對流程狀況提供更深入的瞭解。
 
2018年,為符合歐盟關於參數、採樣頻率和採樣地點的相關法規,丹麥實施新的飲用水法規。在此之前,是要求針對出廠水(下限)和終端使用者(水龍頭)出水進行監測。因應歐盟法規調整,使用者終端出水不僅需要監測,且針對鐵和錳這兩項指標設定限值,鐵:0.2 mg/L,錳:0.05 mg/L。
 
傳統的做法是不定時的採集樣本,隨後送至實驗室分析各項參數水準,當然這也包括鐵和錳。如果指標資料顯示濾池中的污染物無法透過反沖洗去除,則有必要更換濾料,更換濾料意味著該條生產線的停機,因此是一項耗時耗財的步驟。
 
此專案研究者透過線上監測濾池水樣中鐵和錳的濃度水準,並對不同濾料層間的水樣進行分析,以監測濾池的效能並評估反沖洗的必要性。
 
此專案應用的產品有HACH®EZ1024總溶解鐵(Fe(II)和Fe(III))分析儀HACH®EZ1025 二價錳分析儀。這些儀器於2018年11月安裝,每小時採樣四次。專案初始,每台儀器是設定為每小時從濾池入口和出口分別抽取兩個水樣。經過與實驗室結果比對,發現兩者具有良好的相關性。
 
VIA大學的專案經理,資深副教授Loren Ramsay說:“監測是飲用水處理研究的重要部分。為了保證監測的正確性,必須在處理過程中的多個位置進行頻繁的測量。使用具有多通道功能的線上鐵錳自動分析儀非常適合我們的需求。我們相信我們的專案成果對整個飲用水處理產業來說都非常有用。” 
 
總結 Summary
隨著感測器技術的進步,連續監測和即時控制系統有助於優化水行業內的各種處理程序。在提高程序效能的同時也可以降低相關成本。隨著HACH®EZ系列線上分析儀的不斷優化和進步,如今可以優化水處理砂濾程序的效能,同時也有效管理濾池反沖洗的運作。此外,正如丹麥的實例所展示的,錳和鐵的連續監測有助於開發新的改進過濾系統。
 
 
Application Notes (點進下方標題即可瀏覽原文) Type Language Size Date Edition
Iron and Manganese in Drinking Water: Continuous Iron and Manganese monitoring optimizes filter performance 
DOC043.53.30478
  English US 240 KB 2019-05 Feb19