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 độ đục
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 đến chất lượng nước ăn uống, sinh hoạt, sản xuất
38 trang |
Chia sẻ: lylyngoc | Lượt xem: 4218 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Khử sắt và mangan, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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