Khử sắt và mangan

CHƯƠNG 6 KHỬ SẮT VÀ MANGAN KHỬ SẮT
Sắt có chứa trong cả nước mặt và nước ngầm
Trong nước mặt: Fe thường tồn tại ở dạng Fe3+ thường là Fe(OH)3 dưới dạng keo, huyền phù => loại ỏ cùng với ñộ ñục
Trong nước ngầm: Fe thường tồn tại dưới dạng Fe2+ trong các muối hòa tan ( Fe(HCO3)2; FeSO4)
Nước có hàm lượng sắt cao thường có mùi tanh, nhiều cặn bẩn màu vàng => ảnh hưởng xấu ñến chất lượng nước ăn uống, sinh hoạt, sản xuất KHỬ SẮT
Các phương pháp khử sắt: - Phương pháp làm thoáng - Phương pháp dùng hóa chất - Phương pháp khác KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÀM THOÁNG
Bản chất: làm giàu oxi trong nước ñể tăng cường chuyển hóa Fe2+ thành Fe3+ => kết tủa => lọc
Làm thoáng có thể xảy ra trong: + Môi trường tự do + Môi trường hạt + Môi trường xúc tác KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÀM THOÁNG
Chuyển hóa Fe2+ thành Fe3+ trong môi trường tự do (thường dùng giàn mưa hay quạt gió) - PTPU: Fe(HCO3)2 = 2HCO3- + Fe2+ Sau ñó: 4Fe2+ + O2 + 10 H2O = Fe(OH)3 + 8H+ ðồng thời: H+ + HCO32- = H2O + CO2 Tốc ñộ phản ứng: K: hằng số phản ứng, phụ thuộc vào nhiệt ñộ và chất xúc tác 2+2+ 2 + 2 [Fe ].[O ][Fe ] . dt [H ] d v k= = KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÀM THOÁNG Các yếu tố ảnh hưởng: - pH - Hàm lượng O2 - Hàm lượng sắt - ðộ kiềm - Nhiệt ñộ - Thời gian phản ứng - Hàm lượng H2S, NH3 và các chất bẩn hữu cơ Quy phạm: H2S < 0,2 mg/l, NH4+ < 0,1 mg/l, ñộ oxi hóa < 0,15 [Fe2+] KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÀM THOÁNG
Phản ứng oxi hóa Fe2+ và thủy phân Fe3+ trong môi trường dị thể của lớp vật liệu lọc. - Làm thoáng ñể cung cấp oxi cho nước. - Khi làm thoáng, Fe2+ oxi hoá thành Fe3+ với tỷ lệ nhỏ. - Quá trình oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ và thuỷ phân Fe3+ thành Fe(OH)3 chủ yếu xảy ra trong lớp vật liệu lọc. KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÀM THOÁNG - Lớp màng gồm các chất: Fe2+, Fe3+, Fe(OH)2, Fe(OH)3 - Thời gian tạo thành lớp màng phụ thuộc vào: Cỡ hạt, chiều dày lớp vật liệu lọc, tốc ñộ lọc, hàm lượng cặn - Thời gian luyện: 140 – 330h - Quy phạm: pH > 6,8; [Fe2+] < 15 mg/l, ðộ oxi hóa < [0,15(Fe2+).5] mg/l O2, NH4+ < 1mg/l,ñộ màu < 15o KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÀM THOÁNG
Oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ khi có mặt lớp màng xúc tác Mangan oxit - Lớp màng mangan oxit là chất xúc tác làm tăng quá trình chuyển hóa Fe2+ => Fe3+ ngay cả khi pH thấp. - PTPƯ: MnOMn2O7 +4Fe(HCO3)2 +2H2O => 3MnO2 +4Fe(OH)3 + 8CO2 3MnO2 + O2 => MnOMn2O7 KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÙNG HÓA CHẤT
Khử sắt bằng chất oxi hóa mạnh - Các chất oxi hoá mạnh thường sử dụng ñể khử sắt là: Cl2, KMnO4, O3… - PTPƯ: 2Fe2+ + Cl2 + 6H2O = 2Fe(OH)3 + Cl- + 6H+ 3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O = 3Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5H+ - Trong phản ứng, ñể oxi hoá 1mg Fe2+ cần 0,64 mg Cl2 hoặc 0,94mg KMnO4, kiềm của nước giảm ñi 0,018mgñl/l. - Dùng chất oxi hoá mạnh phản ứng xảy ra nhanh hơn, pH môi trường thấp hơn (pH<6) pp làm thoáng. KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÙNG HÓA CHẤT
Khử sắt bằng vôi: - Khử sắt bằng vôi thường kết hợp với quá trình làm ổn ñịnh nước hoặc làm mềm nước - Quá trình khử sắt bằng vôi xảy ra theo 2 trường hợp: + Trường hợp nước có oxi hòa tan: 4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 => 4Fe(OH)3+ 4Ca(HCO3)2 + Trường hợp nước không có oxi hòa tan: Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 => FeCO3 + CaCO3 + H2O CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT KHÁC
Khử sắt bằng trao ñổi cation - Cho nước ñi qua lớp vật liệu lọc có khả băng trao ñổi iôn. Các ion H+ và Na+ có trong vật liệu lọc sẽ trao ñổi với ion Fe2+ có trong nước: 2[K]Na + Fe(HCO3)2 => [K]2Fe + 2NaHCO3 2[K]H + Fe(HCO3)2 => [K]2Fe + H2CO3 - Cation ñược tái sinh bằng HCl, NaCl HCl + [K]2Fe => [K]H + FeCl2 NaCl + [K]2Fe => [K]Na + FeCl2 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT KHÁC
Khử sắt bằng ñiện phân:
Khử sắt bằng vi sinh vật
Khử sắt ngay trong lòng ñất SỰ BIẾN ðỔI THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC KHI KHỬ SẮT
Sự biến ñổi pH: - Quá trình chuyển Fe2+ => Fe3+ làm giảm pH của nước - pH thấp quá trình trên xảy ra chậm - ðiều kiện: pH = 7-7,5. nếu pH < 7 thì sẽ không khử hết sắt trong nước - Nâng pH lên bằng cách kiềm hóa nước và tăng hiệu quả ñuổi CO2 ra khỏi nước. SỰ BIẾN ðỔI THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC KHI KHỬ SẮT
ðộ kiềm của nước: - ðộ kiềm của nước có ảnh hưởng trực tiếp ñến quá trình khử sắt và có liên hệ trực tiếp với ñộ PH của nước - ðộ kiềm càng lớn, lượng CO2 tự do trong nước càng nhỏ thì ñộ pH của nước càng cao. - ðộ kiềm trong nước cao là do trong nước có nhiều muối bicacbônat, các muối này không bền vững, dễ dàng tách ra CO2 tự do. - ðể oxi hóa và thủy phân 1mg Fe2+ thì tiêu thụ 0,143 mg O2 ñồng thời làm tăng 1,60 mg CO2 và ñộ kiềm giảm 0,036 mgñ/l. - ðộ kiềm của nước sau khi khử sắt: Ki = Ki0 – 0,036 CFe02+ mgñl/l Trong ñó: Kio: ñộ kiềm ban ñầu của nước nguồn (mgñl/l) CFe02+ : hàm lượng sắt của nước nguồn (mg/l) SỰ BIẾN ðỔI THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC KHI KHỬ SẮT
Hàm lượng CO2 tự do trong nước - Quá trình khử sắt sẽ tạo thành CO2 tự do, quá trình làm thoáng phần lớn CO2 tự do sẽ giải phóng. - Hàm lượng CO2 còn lại trong nước sau làm thoáng xác ñịnh theo công thức: C(CO2) = C(CO2) (1-a) + 1,6.CFe02+ (mg/l) C(CO2)0: hàm lượng CO2 của nước nguồn a: hiệu quả khử CO2 cả công trình làm thoáng SỰ BIẾN ðỔI THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC KHI KHỬ SẮT Phun mưa trực tiếp trên bể lọc: a = 0,3 – 0,35(ứng với chiều cao phun mưa ≥ 1m, cường ñộ tưới ≤ 10 m3/m2-h) Làm thoáng bằng giàn mưa: a = 0,75 – 0,8 (lượng CO2 sau làm thoáng ≥ 5-6mg/l) Làm thoáng cưỡng bức (lượng CO2 sau làm thoáng ≥ 3-4mg/l Khi có Ki và C(CO2) ta suy ra pH (dựa vào biểu ñồ 5- 1) Nếu pH < 6,8 thì không sử dụng phương pháp khử sắt làm thoáng ñộc lập (pha vôi, Cl, lọc, xúc tác) LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT
Thí nghiệm xác ñịnh khả năng khử sắt bằng làm thoáng ñơn giản và lọc. - Mô hình: Ống lọc bằng thủy tinh hay nhựa trong (d ≥ 50mm), bên trong ñổ cát dày 1m (d=0,8-1,8mm) - Thí nghiệm: ðưa nước vào ống nghiệm ñến ñộ cao cách ống lọc 0,4m. Tốc ñộ lọc 6-8m/h trong 10 ngày. Lấy mẫu nước phân tích hàng ngày. Nếu sau 10 ngày hàm lượng sắt chưa ñạt yêu cầu => lọc với tốc ñộ 5m/h trong 1 tuần nữa nếu k ñạt yêu cầu => pp làm thoáng k hiệu quả LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT
Thí nghiệm xác ñịnh khử sắt bằng làm thoáng – lắng tiếp xúc – lọc. - Mô hình: Dùng các chậu ñục lỗ làm giàn mưa: + chậu 1:d=100mm; khoan 100 lỗ ở ñáy, dlo = 0,5mm + Chậu 2: d=150mm, khoan 225 lỗ, dlo = 0,5mm + Chậu 3: Không khoan lỗ, có ñường kính lớn nhất - Tiến trình: lấy 5l nước giếng ñổ vào chậu 1, cường ñộ tưới: 10m3/m2 – h => chậu 2 => chậu 3( ñể 30p lọc qua ống lọc với tốc ñộ 5m/h=> phân tích mẫu nước sau lọc. - Thay ñổi: cường ñộ tưới, thời gian lắng, tốc ñộ lọc => ñiều kiện tối ưu - Nếu sau nhiều thí nghiệm không ñưa lại hiệu quả => pp không phù hợp LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT
Thí nghiệm xác ñịnh khả năng khử sắt bằng cách làm thoáng kết hợp với kiềm hóa: + Lấy 5 bình dung tích 2l => ñổ lượng nước như nhau vào các bình => cho vôi vào với lượng khác nhau, khuấy trong 2h => lọc như tn1 => chọn mẫu ñạt yêu cầu với lượng vôi nhỏ nhất + Nếu bình có lượng vôi lớn nhất mà pH < 8,3 – 8,4 thì cho thêm vôi vào ñể ñạt pH ñó. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT
Thí nghiệm xác ñịnh khả năng khử Fe bằng Cl – lắng tiếp xúc – lọc tiến hành tương tự thí nghiệm 3 nhưng thay vôi bằng Cl, thời gian lắng là 45p CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP
Bước 1: - Căn cứ vào ñộ kiềm và ñộ pH =>tìm ñược hàm lượng CO2 tự do trong nước nguồn + CO2 sinh ra từ thủy phân sắt - 1mg Fe bị thủy phân tạo ra 1,6mg/l CO2, ñộ kiềm giảm ñi 0,036 mgñl/l - Tính ñược giá trị CO2 mới và ñộ kiềm mới => pH mới - Nếu pH ≥ 6,8; ñộ kiềm ≥ 1mgñl/l thì áp dụng pp làm thoáng ñơn giản. Nếu k ñạt => sang bước 2 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP
Bước 2: - Lấy 25% CO2 và ñộ kiềm tính ñược => giá trị pH - Nếu pH ≥ 6,8; ñộ kiềm ≥ 1mgñl/l thì áp dụng pp làm thoáng tự nhiên bằng giàn mưa ñể khử sắt - Nếu không ñạt thì sang bước 3 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP
Bước 3: - Lấy 15% lượng CO2 và lượng kiềm tính ñược => pH - Nếu pH ≥ 6,8; ñộ kiềm ≥ 1mgñl/l thì áp dụng pp khử sắt bằng làm thoáng cưỡng bức - Nếu không ñạt thì xây dượng thêm 1 bể lọc xúc tác trước bể lọc trong - Nếu làm thoáng không ñạt thì phải dùng hóa chất CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM
Công nghệ khử sắt bằng làm thoáng: - Sơ ñồ 1: làm thoáng ñơn giản và lọc: + Làm thoáng bằng giàn ống khoan lỗ: giàn phân phối các ống dạng hình xương cá có ñục lỗ, dlo= 5 – 7mm, h≥ 0,6m, v= 1,5-2m/s, cường ñộ mưa ≤ 10m3/m2-h + Làm thoáng bằng hệ thống 2 máng tràn:v= 0,4 – 0,8m/s, h≥ 0,6m. nước từ máng 1 sang 2 qua hệ thống răng cưa - Bể lọc nhanh:(tương tự bể lọc nhanh phổ thông): chiều dày vật liệu lọc: 1-1,2m; v=7-10m/h CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM - Phạm vi áp dụng: hàm lượng Fe≤15mg/l; ñộ oxi hóa ≤ [0,15(Fe2+).5] mg/l O2; NH4 <1 mg/l; ñộ màu ≤ 150, pH sau khi làm thoáng ≥ 6,8; ñộ kiềm còn lại > (1 + Fe2+/28) mgñl/l - Ưu ñiểm: + Công trình xử lý ñơn giản + Hiệu quả xứ lý cao và ổn ñịnh + Chu kỳ lọc kéo dài do tổn thất áp lực trong lớp vật liệu tăng chậm. CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM - Sơ ñồ 2: Giàn mưa - lắng tiếp xúc - lọc + Giàn mưa: là công trình làm thoáng tự nhiên, có khả năng thu ñược lượng ôxi hòa tan bằng 5% lượng ôxi bão hòa và có khả năng khử ñược 75- 80% lượng CO2 trong nước, nhưng lượng CO2 còn lại sau làm thoáng không xuống thấp hơn 5- 6mg/l. Cấu tạo: Hệ thống phân phối nước; Sàn tung nước; Sàn ñổ lớp vật liệu tiếp xúc; hệ thống thu, thoát khí và ngăn nước; sàn và ống thu nước CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM Tính toán giàn mưa: - Diện tích mặt bằng của giàn mưa: F= Q/qm Trong ñó: Q: lưu lượng nước xử lý (m3/h) qm: Cường ñộ mưa (10-15 m3/m2-h) Giàn mưa ñược chia thành N ngăn, bố trí thành hàng vuông góc với hướng gió chính - Diện tích 1 ngăn: f = F/N (m2) - Tổng diện tích bề mặt tiếp xúc: 2( ) . tx tb GF m K C = ∆ CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM Trong ñó: G: lượng CO2 tự do cần khử (kg/h) K: hệ số khử (lấy theo biểu ñồ) Ctb: lực ñộng trung bình của quá trình khử khí - G ñược tính theo công thức: Q: Công suất trạm xử lý Cl: lượng CO2 tự do ñơn vị lấy ñi ñể tăng ñộ pH lên 7,5 Cl = 1,64Fe2+ + (Cñ – Ct) (mg/l) trong ñó: Cñ: Co2 tự do ban ñầu trong nước nguồn Ct: CO2 tính toán ứng với pH = 7,5 và ñộ kiềm của nước nguồn . ( / ) 1000 lC QG kg h= CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM Ct = Cbñ.ßγ (mg/l) Cbñ: Nồng ñộ CO2 tự do xác ñịnh theo trị số pH và ñộ kiềm ở 20oC ß: Hệ số kể ñến hàm lượng muối hòa tan trong nước γ: Hệ số liên quan ñến nhiệt ñộ của nước (theo bảng) - ∆Ctb ñược xác ñịnh theo công thức: Trong ñó: Cmax = 1,64.Fe2+ + Cñ - Thể tích lớp vật liệu tiếp xúc: W = Ftx/ftx 3ax ax t ( / ) 2300.lg C m t tb m C CC kg mC −∆ = CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM Trong ñó: ftx: Diện tích tiếp xúc ñơn vị ( theo bảng) Ftx: Diện tích bề mặt tiếp xúc của giàn mưa - Chiều dày vật liệu mỗi tầng: 0,3 – 0,4m - ðường kính ống dẫn nước lên giàn mưa tương ứng với tốc ñộ: 0,8-1,2m/s - Ống dẫn nước rửa ứng với tốc ñộ: 1- 1,5m/s - Ống nước rửa sàn tung: d= 20mm - Ống thoát khỏi sàn: d=100-200mm CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM
Bể lắng tiếp xúc: - Chức năng chính của bể lắng tiếp xúc là ñể cho Fe2+ tiếp xúc với ôxi của không khí tạo ñiều kiện cho quá trình oxi hóa và thủy phân sắt diễn ra hoàn toàn, ñồng thời giữ lại 1 phần bông cặn nặng trước khi ñưa sang bể lọc. - Thời gian nước lưu trong bể t = 30 – 45 phút - Khi công suất trạm xử lý nhỏ hơn 30.000m3/ngñ => sử dụng bể lắng ñứng tiếp xúc - Khi công suất trạm xử lý nước ngầm Q > 30.000m3/ngñ thì dùng bể lắng ngang tiếp xúc CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM
Sơ ñồ 3: Thùng quạt gió - lắng tiếp xúc - lọc - Thùng quạt gió: + Thùng quạt gió là công trình làm thoáng nhân tạo (làm thoáng cưỡng bức). + Theo TCXD – 33: 1985 thùng quạt gió giải phóng ñược 85 – 90% CO2 hòa tan trong nước, lượng ôxi hòa tan lấy bằng 70% lượng bão hòa. + Làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép, tiết diện tròn hoặc vuông CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM
Cấu tạo thùng quạt gió: - Hệ thống phân phối nước: Có dạng hình xương cá giống như hệ thống phân phối trở lực lớn trong bể lọc - Lớp vật liệu tiếp xúc: Có thể là một ván gỗ rộng 200 mm, dày 10 mm, ñặt cách nhau 50 mm thành một lớp, lớp nọ xếp vuông góc với lớp kia. Vật liệu tiếp xúc ñặt trên sàn bêtông có khe hở ñể thu nước phía dưới. - Giàn thu nước có xiphông: Nước xuống sàn thu nước trước khi dần xuống bể lắng tiếp xúc phải qua xiphông CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM - Máy quạt gió: Có nhiệm vụ ñưa không hkí lên ngược chiều với chiều rơi của nước. • Ưu ñiểm của dây chuyền công nghệ khử sắt bằng làm thoáng cưỡng bức: - Do cường ñộ mưa lớn nên diện tích xây dựng nhỏ, công trình gọn nhẹ - Không khí ñược cấp bằng quạt gió nên chủ ñộng, - Có khả năng công nghệ hóa trong xây dựng, thi công nhanh gọn. CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM
Sơ ñồ 4: Ezecto thu khí hoặc máy nén khí – bình trộn khí – lọc áp lực - Áp dụng cho những nguồn nước có hàm lượng sắt < 12mg/l, pH ≥ 6.8 - Ezecto dùng cho trạm xử lý có công suất < 500m3/ngày - Áp dụng cho trường hợp cần thu oxi và không khử khí CO2 CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM
Công nghệ khử sắt bằng hóa chất Áp dụng: Khi sắt tồn tại dưới dạng các chất không tan, dùng biện pháp khử sắt bằng làm thoáng không mạng lại hiệu qủa. - Khử sắt bằng vôi: khi sắt ở dạng keo, PH, ñộ kiềm Ki thấp => dùng vôi khử sắt. lượng vôi cần lấy: CaO = 0,8 CO2 + 1,8. Fe (mg/l) CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM - Khử sắt bằng Clo: + Áp dụng khi sắt ở dạng hợp chất hữu cơ, ở dạng keo và pH thấp (pH≥ 5) + ðể oxi hóa 1 mg Fe2+ cần 0,64 mg Cl2 + Cl còn có tác dụng khử các hợp chất hữu cơ - Khử Fe bằng KMnO4: + Khử Fe dùng KMnO4 diễn ra rất nhanh ví cặn MnO2 vừa ñược tạo thành lại là nhân tố xúc tác quá trình khử Fe + ðể khử 1mg Fe2+ cần 0,564 mg KMnO4