36. Yeniden mineralizasyon için tasarım hesabı

Yeniden mineralizasyon hesabı, suya bir miktar mineral koyup son pH'ı ölçmekten ibaret değildir. Hangi elementin ne kadar ekleneceği, hangi karşı iyonun birlikte geleceği, alkalinitenin nasıl değişeceği ve son suyun dağıtım sistemiyle nasıl davranacağı birlikte değerlendirilir. Kalsiyum hedefi sağlanırken magnezyumun değişmeden kalması mümkündür. Magnezyum hedefi sağlanırken klorür, sülfat veya alkalinite de artabilir. Her işlem birden fazla bileşeni etkiler.

Buradaki hesaplar, yöntemlerin kimyasal sonuçlarını anlamak için kurulmuş kuramsal örneklerdir. Evde mineral tuzu veya kimyasal dozlama tarifi değildir. İçme suyunda kullanılacak malzemelerin uygunluğu, saflığı, olası safsızlıkları, çözünme davranışı ve işletme güvenliği ayrıca doğrulanmalıdır. Tasarımın kimyasal olarak dengeli görünmesi, kullanılan ürünün içme suyu için uygun olduğunu kanıtlamaz.

Hedefleri birbirinden ayırmak

Bir sistemde üç tür hedef bulunabilir. Birincisi kimyasal hedeflerdir: kalsiyum, magnezyum, alkalinite veya pH gibi büyüklüklerin belirli bir aralıkta tutulması. İkincisi işletme hedefleridir: çökelme, malzeme uyumu, debi değişimine yanıt ve bakım gereksinimi. Üçüncüsü tüketimle ilgili hedeflerdir: suyun toplam beslenmeye sağlayacağı ölçülebilir katkı. Sağlık sonucu iddiası bu üçüncü başlığa otomatik eklenemez.

Bir tasarım hesabında seçilen 40 mg/L kalsiyum veya 10 mg/L magnezyum gibi sayılar, yalnız o örneğin mühendislik hedefleri olabilir. Bunlar bütün kişiler için zorunlu sağlık alt sınırı diye tanımlanmamalıdır. WHO'nun güncel sertlik değerlendirmesi bu tür evrensel asgari veya azami mineral hedefleri koymamaktadır.

Hedefler yazılırken başlangıç bileşimi de verilmelidir. Çıkışta 40 mg/L kalsiyum elde etmek için girişte 5 mg/L bulunan suya 35 mg/L eklemek gerekir. Girişte zaten 25 mg/L varsa gereken net katkı 15 mg/L'dir. Sabit bir doz, değişken girişte sabit çıkış sağlamaz. Tasarımın hangi giriş aralığını kapsadığı baştan belirtilir.

Kalsitin teorik katkısı

Kalsiyum karbonatın mol kütlesi yaklaşık 100,086 g/mol, kalsiyumun mol kütlesi yaklaşık 40,078 g/mol'dür. Dolayısıyla saf CaCO3'ün kütlece yaklaşık yüzde 40,04'ü kalsiyumdur. Bir litre suda gerçekten 50 mg saf kalsit çözünürse yaklaşık 20,0 mg/L kalsiyum sağlanır. Bu, malzemenin kaba eklenen miktarı değil, çözünmüş miktarı üzerinden kurulan hesaptır.

Karbondioksitin katıldığı basitleştirilmiş çözünme tepkimesi şu şekilde yazılabilir:

CaCO3 + CO2 + H2O → Ca²⁺ + 2 HCO3⁻

Bu stokiyometri, bir mol kalsit için bir mol karbondioksit tüketilip iki mol bikarbonat oluşmasını ifade eder. Gerçek temasörde denge, gaz aktarımı, başlangıç karbonat sistemi ve hidrolik koşullar sonucu etkiler. Kalsit temasörlerine ilişkin teknik çalışmalar bu işletme bağımlılığını ele almaktadır.

Giriş kalsiyumu 5 mg/L, hedef çıkış 40 mg/L olarak seçilen temsili bir sistemde gereken net kalsiyum 35 mg/L'dir. Bunun saf kalsit eşdeğeri 35 × 100,086/40,078 = yaklaşık 87,4 mg/L olur. Yukarıdaki tepkimenin tam gerçekleştiği modelde yaklaşık 38,4 mg/L CO2 tüketilir ve 106,6 mg/L bikarbonat oluşur. Alkalinite artışı ise yaklaşık 87,4 mg/L CaCO3 eşdeğeridir.

Tablo 67. 35 mg/L net kalsiyum artışı için kuramsal kalsit dengesi

Büyüklük	Kuramsal miktar	Anlamı
Net kalsiyum	35,0 mg/L	Seçilen örnekte hedef artış
Çözünen saf CaCO3	87,4 mg/L	Stokiyometrik malzeme eşdeğeri
Tepkimede tüketilen CO2	38,4 mg/L	Tam tepkime modelinin gereği
Oluşan HCO3⁻	106,6 mg/L	Aynı tepkimeden gelen bikarbonat
Alkalinite artışı	87,4 mg/L CaCO3 olarak	Eşdeğerlik birimiyle artış

Bu tablo bir dozlama cihazına doğrudan girilecek ayar listesi değildir. Su zaten çözünmüş karbondioksit veya başka karbonat türleri içeriyorsa dışarıdan gereken miktar değişir. Çözünme tam değilse kaba konan kalsitin tamamı suya geçmez. Gaz kaybı, denge ve temas koşulları ayrıca değerlendirilir. Teorik tüketim ile gerçek kimyasal dozunu birbirine eşitlemek tasarım hatası yaratabilir.

Saflık düzeltmesi neyi çözer?

Kuramsal olarak 87,4 mg saf madde gerekiyorsa ve kullanılan malzemenin ilgili bileşen saflığı yüzde 95 ise yalnız kütle hesabı bakımından 87,4/0,95 = yaklaşık 92,0 mg malzeme eşdeğeri bulunur. Bu düzeltme, içindeki diğer yüzde 5'in güvenli olduğunu göstermez. Safsızlıkların ne olduğu ve suya ne kadar geçebileceği ayrı bir malzeme güvenliği sorusudur.

Ayrıca “yüzde 95 saflık” ile “yüzde 95 çözünme” farklı kavramlardır. Birincisi malzemenin bileşimini, ikincisi belirli koşullarda suya geçen payı anlatır. Yüksek saflıktaki bir yatak kısa temas süresinde az çözünmüş olabilir. Daha düşük saflıktaki bir malzeme ise çözündüğünde istenmeyen bileşenler de salabilir. Tek bir saflık yüzdesi, performans ve güvenlik değerlendirmelerinin yerine geçmez.

İçme suyu uygulamasında uygunluk, ilgili malzeme ve kimyasal değerlendirme kapsamı üzerinden araştırılır. NSF/ANSI/CAN 60 gibi arıtma kimyasallarıyla, 61 gibi suyla temas eden bileşenlerle ilgili standartların kapsamı aynı değildir. Bunların varlığı belirli bir sağlık yararı iddiası da oluşturmaz.

Debi ile günlük tüketimi eşleştirmek

Bir litre için hesaplanan miktar, günlük arıtılan hacimle çarpılarak günlük teorik madde tüketimine çevrilebilir. Temsili sistem 1 m³/gün, yani 1.000 L/gün işliyorsa 87,4 mg/L saf kalsit eşdeğeri 87,4 g/gün eder. 10 m³/günde 874 g/gün olur. Buradaki çarpım yalnız birim dönüşümü ve kütle hesabıdır; gerçek yatak ömrünü bütün işletme etkileriyle tahmin etmez.

Yatağa konan malzemenin tamamının kullanılabilir olduğu varsayılamayabilir. Kalan yatak yüksekliği, akış dağılımı, taşınan ince parçacıklar ve işletme gereksinimleri gerçek yenileme zamanını etkileyebilir. Bu nedenle “bir kilogram malzeme şu kadar litreye yeter” ifadesi, çözünme hedefi ve kullanılabilir pay belirtilmeden eksiktir.

Örneğin 1 kg saf malzemenin tamamının 50 mg/L hızla çözündüğü ideal modelde 20.000 L hesaplanır. Fakat gerçek sistemde gereken çıkış kalitesi malzeme tamamen bitmeden sağlanamaz hâle geliyorsa kullanılabilir hizmet hacmi daha düşüktür. Tersine çözünme düşük kaldığı için malzemenin uzun süre bitmemesi, hedef mineral katkısının sağlandığını göstermez. Fiziksel olarak kalan medya ile işlevsel kapasite aynı değildir.

Magnezyum tuzlarında karşı iyon hesabı

Magnezyum eklenirken kullanılan tuzun yalnız magnezyum kısmı değil, eşlik eden iyonu da hesaba katılır. Temsili olarak giriş magnezyumu 1 mg/L, tasarım hedefi 10 mg/L olsun. Net artış 9 mg/L'dir. Saf susuz MgCl2 kullanıldığı varsayılan stokiyometrik hesapta yaklaşık 35,3 mg/L tuz, 9 mg/L magnezyum ve 26,3 mg/L klorür sağlar. Bu bir uygulama önerisi değil, bileşim hesabıdır.

Aynı magnezyum miktarı MgSO4 üzerinden hesaplanırsa eşlik eden sülfat yaklaşık 35,6 mg/L olur. Dolayısıyla iki yaklaşımın magnezyum katkısı aynı olsa bile son suyun klorür ve sülfat bileşimi farklıdır. Bir tuzu diğerinin yerine yalnız gram miktarını koruyarak değiştirmek magnezyum dozunu da değiştirebilir.

Hidrat suyu içeren tuzlarda fark daha büyür. MgCl2·6H2O veya MgSO4·7H2O gibi bileşiklerde tartılan kütlenin bir bölümü kristal sudur. Net 9 mg/L magnezyum için kuramsal MgCl2·6H2O eşdeğeri yaklaşık 75,3 mg/L, MgSO4·7H2O eşdeğeri yaklaşık 91,3 mg/L'dir. Susuz tuz hesabını hidratlı ürüne uygulamak eksik element katkısı yaratır. Malzemenin kimyasal formu doğrulanmadan yalnız ticari adına göre hesap yapılamaz.

Magnezyum oksit ve alkalinite

Magnezyumun farklı kimyasal biçimleri alkaliniteyi de farklı etkiler. MgO'nun su ve asit-baz dengesi içinde çözünmesi, klorür veya sülfat tuzu eklenmesiyle aynı sonuç değildir. Basitleştirilmiş tam çözünme ve nötrleşme hesabında bir mol magnezyuma karşılık iki eşdeğer baz katkısı söz konusu olabilir. Gerçek suyun pH'ı ve karbonat sistemi bu katkının son görünümünü belirler.

Kuramsal olarak 9 mg/L magnezyumun MgO'dan gelmesi için yaklaşık 14,9 mg/L MgO'nun çözünmesi gerekir. İki eşdeğerlik üzerinden hesaplanan alkalinite katkısı yaklaşık 37,1 mg/L CaCO3 eşdeğeridir. Bu sayı son pH'ı vermez. pH, başlangıç alkalinitesi, çözünmüş karbon, gaz alışverişi ve dengeyle birlikte belirlenir.

Bu nedenle “aynı miktarda magnezyum ekledik” cümlesi, iki son suyun aynı kimyaya sahip olduğunu göstermez. Tasarım dosyasında element katkısı, karşı iyon katkısı ve alkalinite etkisi ayrı satırlarda tutulmalıdır. Özellikle karışık mineral medyalarında yalnız son pH'ı ölçmek, hangi bileşenin ne kadar çözüldüğünü açıklamaya yetmez.

Karışımın bütün iyonları birlikte değiştirmesi

İki suyun karıştırılması, mineralizasyon için kullanılabilecek bir yaklaşımdır. Ancak bir element hedefi için seçilen karışım oranı, diğer bütün korunan çözünmüş bileşenleri de değiştirir. Yalnız kalsiyum veya magnezyum hesabı yapıp karışan suyun nitrat, sodyum ve diğer özelliklerini dışarıda bırakmak güvenilir bir tasarım değildir. Karışım suyunun mikrobiyolojik güvenliği de ayrıca sağlanmalıdır.

İki kaynaklı, hacimlerin toplanabilir olduğu ve reaksiyon bulunmadığı basit modelde son derişim şöyle yazılır:

Cson = (1 − f) × CA + f × CB

Burada f, B suyunun toplam içindeki hacim payıdır. Aynı f değeri, bu modelin geçerli olduğu her bileşene uygulanır. Magnezyum için yüzde 25, nitrat için yüzde 5 kullanılamaz; karışan su tek bir fiziksel hacimdir.

Temsili A suyunda kalsiyum 4, magnezyum 1, sodyum 8 ve nitrat 2 mg/L olsun. B suyunda bunlar sırasıyla 84, 21, 88 ve 42 mg/L olarak varsayılsın. Nitrat değerleri NO3⁻ kütlesi cinsindedir. B suyunun yüzde 25 olduğu karışımda kalsiyum 24, magnezyum 6, sodyum 28 ve nitrat 12 mg/L olur.

Tablo 68. İki suyun karışımında birlikte değişen bileşenler

B suyunun payı	Kalsiyum, mg/L	Magnezyum, mg/L	Sodyum, mg/L	Nitrat, mg/L
%0	4	1	8	2
%25	24	6	28	12
%32,5	30	7,5	34	15
%45	40	10	44	20

Bu tabloda yüzde 45 karışım, örnek olarak seçilen 40 mg/L kalsiyum ve 10 mg/L magnezyum hedeflerini birlikte sağlar. Ancak aynı karışım nitratı 20 mg/L'ye çıkarır. Proje içinde, yalnız bu örneği açıklamak amacıyla nitrat için 15 mg/L'lik bir tasarım üst hedefi seçilmişse yüzde 45 karışım uygulanabilir çözüm değildir. Buradaki 15 mg/L değeri yasal veya evrensel sağlık sınırı değildir; kısıtlı tasarım hesabının varsayımıdır.

Bu üst hedef altında en yüksek B payı (15 − 2)/(42 − 2) = yüzde 32,5'tir. Bu noktada magnezyum 7,5 mg/L, kalsiyum 30 mg/L olur. İstenen magnezyum hedefi ile nitrat kısıtı aynı anda sağlanamıyorsa çözüm “oranı biraz ayarlamak” değildir; başka kaynak, başka işlem veya farklı bir mineralizasyon yaklaşımı gerekir. Matematik, bazı hedeflerin mevcut iki kaynakla aynı anda gerçekleştirilemeyeceğini gösterir.

pH karışımında neden aynı denklem kullanılmaz?

Kalsiyum gibi korunan bir elementin kütle derişimi uygun varsayımlarla hacim ağırlıklı hesaplanabilir. pH ise logaritmik bir büyüklüktür ve asit-baz dengesiyle ilişkilidir. pH'ı 6 ve 8 olan eşit hacimli iki suyun karışımının pH'ının otomatik olarak 7 olacağı söylenemez. Suların alkalinitesi, çözünmüş karbonu ve diğer tampon bileşenleri sonucu etkiler.

Bu nedenle bir karışımın mineral hesabı doğru olsa bile son pH ayrıca uygun kimyasal değerlendirme veya ölçüm gerektirir. Kütle dengesiyle bulunan bikarbonat veya alkalinite de karbonat türlerinin son dağılımını tek başına belirlemeyebilir. Gaz alışverişi varsa başlangıçtaki çözünmüş karbondioksit korunmuş bir bileşen gibi davranmayabilir.

Hesabın bu sınırı, karışım yöntemini kullanışsız yapmaz. Hangi büyüklüğün doğrudan toplanabildiğini ve hangisinin denge hesabı gerektirdiğini ayırır. Tasarımda önce korunan elementler için kütle dengesi, ardından ilgili kimyasal dengeler ve işletme koşulları değerlendirilir. Bütün parametreleri aynı aritmetik ortalamaya indirgemek kolaydır, fakat doğru değildir.

İyonik yük dengesiyle raporu sınamak

Bir su çözeltisinde toplam pozitif ve negatif yüklerin dengesi, analizin iç tutarlılığını değerlendirmeye yardımcı olur. Bunun için mg/L değerleri doğrudan toplanmaz; iyonların yükü ve mol kütlesi dikkate alınarak eşdeğer derişimlere çevrilir. İki değerlikli kalsiyum ve magnezyum ile tek değerlikli sodyum aynı kütlede aynı yük katkısını yapmaz.

Temsili bir bileşimde kalsiyum 40, magnezyum 12, sodyum 23 ve potasyum 4 mg/L; bikarbonat 183, klorür 28 ve sülfat 14 mg/L olsun. Bu, bir laboratuvar raporu değil, yük dengesi hesabını açıklayan yaklaşık bir iyon tablosudur. Hesapta başlıca iyonların bunlar olduğu ve başka önemli yük taşıyıcıların bulunmadığı varsayılmıştır.

Tablo 69. Temsili bir suyun iyonik yük hesabı

İyon	Kütle derişimi, mg/L	Yaklaşık yük derişimi, meq/L
Kalsiyum, Ca²⁺	40	2,00
Magnezyum, Mg²⁺	12	0,99
Sodyum, Na⁺	23	1,00
Potasyum, K⁺	4	0,10
Bikarbonat, HCO3⁻	183	3,00
Klorür, Cl⁻	28	0,79
Sülfat, SO4²⁻	14	0,29

Yuvarlanmamış değerlerle pozitif ve negatif toplamlar birbirine çok yakındır. Bu, kurulan örneğin elektriksel yük bakımından tutarlı olduğunu gösterir. Ancak suyun güvenli olduğunu kanıtlamaz. Çok düşük derişimdeki önemli kirleticiler, mikroorganizmalar veya elektrik yükü taşımayan organik maddeler bu dengede görünmeyebilir. İyi kapanan bir yük dengesi, kapsamlı güvenlik analizinin yerine geçmez.

Yük farkı büyük bulunduğunda eksik iyon, yanlış birim, alkalinite dönüşümü veya analitik sorun araştırılır. Her su ve her analitik kapsam için aynı kabul yüzdesi kullanılmamalıdır; yöntemin ve çalışmanın kalite ölçütleri esas alınır. Özellikle çok düşük iyon derişimli sularda küçük mutlak belirsizlikler büyük göreli fark yaratabilir.

Nitratın farklı raporlama biçimleri

Karışım ve güvenlik hesabında nitratın hangi biçimde raporlandığı önemlidir. NO3⁻ olarak mg/L ile nitrat azotu, yani N olarak mg/L aynı sayı değildir. Mol kütlelerine göre NO3⁻/N oranı yaklaşık 62,004/14,007 = 4,43'tür. Dolayısıyla 10 mg/L nitrat azotu yaklaşık 44,3 mg/L nitrat iyonuna karşılık gelir.

Bu dönüşümün unutulması, aynı suyu iki raporda çok farklıymış gibi gösterebilir. Bir karışım hesabında A kaynağı NO3⁻, B kaynağı N olarak verilmişse önce aynı birime çevrilir. İki sayı doğrudan ağırlıklandırılmaz. Aynı ilke fosfat, fosfor, sülfat ve kükürt gibi farklı ifade biçimleri için de geçerlidir.

Bir sınırla karşılaştırma yapılacaksa sınırın birimi de aynı şekilde doğrulanır. Sayının benzer görünmesi yeterli değildir. Sonucun hangi kimyasal tür veya element eşdeğeri olarak yazıldığı, en az derişim değeri kadar önemlidir. Bu küçük kayıt ayrıntısı, tasarımın güvenlik yorumunu kökten değiştirebilir.

Temas süresi ve boş yatak temas süresi

Bir temasörün yatak hacmi 0,5 L ve debisi 0,5 L/dakika ise boş yatak temas süresi 1 dakikadır. Debi 1 L/dakikaya çıktığında bu değer 0,5 dakika olur. Bu hesap, yatak hacminin debiye bölünmesine dayanır; bütün su moleküllerinin yatakta tam bu süre kaldığını söylemez.

Yatak hacminin yalnız bir bölümü suyla dolu boşluklardan oluşur. Temsili gözenek hacmi payı 0,40 ise 0,5 L yatağın su hacmi yaklaşık 0,2 L'dir. İdeal ve basitleştirilmiş bir akış modelinde 0,5 L/dakika debide bu hacmin geçiş süresi 0,4 dakika, yani 24 saniye olur. Bu sayı da gerçek ikamet süresi dağılımını tam olarak tanımlamaz; akış dağılımı, karışma ve erişilebilir boşluklar ayrıca etkilidir.

Dolayısıyla “bir dakika temas” ifadesinin neyi anlattığı sorulmalıdır. Boş yatak temas süresi mi, hesaplanan su hacmi/debi oranı mı, yoksa izleyici deneyinden elde edilmiş bir süre mi? Farklı tanımları aynı değermiş gibi karşılaştırmak, iki ürünün çözünme davranışını yanlış yorumlatabilir.

Doygunluk ve korozyon aynı karar değildir

Kalsiyum ve alkalinite artışı suyun kalsiyum karbonat dengesiyle ilişkisini değiştirir. Ancak bir kalsit doygunluk göstergesi, bütün metal korozyonunu tek başına açıklamaz. WHO'nun korozyon değerlendirmesi, kalsiyum karbonat doygunluğuna dayanan göstergelerin genel korozyon davranışını her koşulda temsil etmediğine dikkat çeker.

Bu nedenle bir suyun “LSI değeri uygun” denilerek bütün tesisat malzemeleri için güvenli ilan edilmesi doğru değildir. Kurşun, bakır veya diğer malzemelerle etkileşim, suyun daha geniş bileşimi ve sistem koşullarıyla ilişkilidir. Yeniden mineralizasyonun işletme başarısı, yalnız bir indeks değil, malzeme uyumu ve gerektiğinde ilgili metal ölçümleriyle değerlendirilir.

Öte yandan çökelme eğilimini bütünüyle yok saymak da doğru değildir. Hedef mineral miktarı sağlanırken ekipmanda tortu, debi kaybı veya tutarsız salım oluşabilir. Kimyasal hedef ile işletme hedefinin birlikte ele alınmasının nedeni budur. Beslenme katkısı açısından istenen bir sayı, teknik olarak sürdürülemeyen bir işletme durumuyla elde ediliyorsa iyi bir çözüm değildir.

Teorik hesaptan doğrulanmış işletmeye

Bir yeniden mineralizasyon tasarımı dört aşamada değerlendirilebilir. Önce başlangıç suyunun ilgili bileşimi ve değişim aralığı belirlenir. Ardından hedeflerin amacı ve sınırları yazılır. Sonra kütle, karşı iyon ve denge hesapları yapılır. Son aşamada, uygun deney ve işletme izlemesiyle gerçek çıkışın bu hesaplarla uyumu sınanır.

Tablo 70. Tasarım hesabını doğrulama adımları

Aşama	Kontrol sorusu
Giriş suyu	Mevsim ve debi değişimi hangi aralıkta?
Hedefler	Element, alkalinite ve işletme hedefleri ayrı mı?
Malzeme	Kimyasal form, saflık ve içme suyuna uygunluk doğrulandı mı?
Hesap	Karşı iyonlar ve bütün önemli kısıtlar hesaba katıldı mı?
Deney	Başlangıç, sürekli akış ve kullanım sonu incelendi mi?
İzleme	Sapma olduğunda hangi işlem uygulanacak?

Bu süreçte beklenenden düşük mineral katkısı görülürse yalnız daha fazla malzeme eklemek ilk cevap olmamalıdır. Temas koşulu, giriş karbondioksiti, yatak düzeni ve ölçüm noktası araştırılır. Beklenenden yüksek katkıda da bunun sürekli mi yoksa bekleme sonrası kısa süreli mi olduğu ayrılır. Sistem, tek bir iyi numune elde edildiğinde değil, tanımlanan koşullar altında tutarlı ve güvenli çalıştığı gösterildiğinde değerlendirilmiş olur.

Yeniden mineralizasyonun bilimsel değeri, suya gizemli bir nitelik kazandırmasında değil, bileşimi ölçülebilir biçimde değiştirebilmesindedir. Bu değişim açık bir hesapla, uygun malzemeyle ve izlenebilir sonuçla anlatılabilir. Hesaplanabilen kimyasal katkı ile henüz gösterilmemiş sağlık yararını ayırmak, hem mühendisliğin hem sağlık iletişiminin sınırlarını korur.