Tổng quan về ô nhiễm Sắt và Mangan trong nguồn nước, công nghệ xử lý phục vụ cấp nước

trình bày về Tổng quan về ô nhiễm Sắt và Mangan trong nguồn nước, công nghệ xử lý phục vụ cấp nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NÔI TRƯỜNG ĐẠI HOC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

BÀI TIỂU LUẬN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……… 4

1 Tổng quan……… ………5

1.1 Trạng thái tồn tại của sắt và mangan trong các nguồn nước tự nhiên …… 5

1.2 Tác hại của sắt và mangan tới sức khỏe con người và vấn đề loại bỏ sắt và mangan trong phục vụ cấp nước……….………7

2 Đặc trưng nguồn nước nhiễm sắt, mangan và tiêu chí lựa chọn phương pháp xử lý……….……….……….……… ….7

2.1 Đặc trưng nguồn nước nhiễm sắt, mangan……… 7

2.1.1 Sắt………7

2.1.2 Mangan………9

2.2 Các tiêu chí lựa chọn phương pháp xử lý nước nhiễm sắt và mangan…… 9

3 Các phương pháp loại bỏ sắt và mangan trong nước ngầm để phục vụ nước cấp……… ……… ……… 10

3.1 Phương pháp làm thoáng………10

3.1.1 Nguyên lý cơ bản của phương pháp làm thoáng và các cách làm thoáng….10 3.1.2 Sử dụng giàn mưa hay quạt gió…… ……….…………11

3.1.3 Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc……….…… …… 11

3.1.4 Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên……….……… …………12

3.1.5 Làm thoáng cưỡng bức (giàn mưa có quạt gió và có áp lực đẩy nước) 12

3.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng………13

3.2 Khử sắt và mangan bằng hoá chất……….14

3.2.1 Khử sắt và mangan bằng Clo………15

3.2.2 Khử sắt và mangan bằng Kali Permanganat (KMnO4)……….15

3.2.3 Biện pháp khử sắt bằng H2O2………15

3.2.4 Biện pháp khử sắt và mangan bằng vôi……….15

3.2.5 Trao đổi cation……… 16

3.2.6 Điện phân……… 17

3.2.7 Dùng vi sinh vật………18

3.2.8 Ngoài ra còn có một số phương pháp khác ……… 18

3.3 Phương pháp sử dụng vật liệu lọc……… 19

3.3.1 Cát đen ……… ……… 19

3.3.2 Cát xanh mangan khử sắt và mangan (MANGANESE GREENSAND) 21

3.3.3 Hạt Birm khử sắt……….22

3.3.4 Vật liệu đa năng ODM – 2F……… 23

3.3.5 Cát thạch anh và sỏi đỡ……… 24

3.3.6 Than hoạt tính……….25

4 Một số mô hình xử lý tiêu biểu……… ……….26

4.1 Xử lý nước ngầm có hàm lượng sắt thấp (hàm lượng sắt <10 Mg/L)……… 264.2 Xử lý nước ngầm có hàm lượng sắt cao (hàm lượng sắt > 10 mg/l)…………28

MỞ ĐẦU

Khi xã hội ngày càng phát triển, cũng đồng nghĩa với việc chất lượng cuộc sống của con người ngày càng được cải thiện và nâng cao hơn Kéo theo đó, những nhu cầu tất yếu phục vụ cuộc sống thường ngày cũng được xã hội cũng như dư luận chú trọng và quan tâm hơn trước Một trong những nhu cầu không thể thiếu phục vụ cuộc sống của con người là nước sạch cấp cho ăn uống và sinh hoạt Vai trò của nước sạch là rất quan trọng đối với sự tồn tại của con người cũng như các loài sinh vật, con người có thể nhịn đói cả tuần mà không sao nhưng không thể thiếu nước uống quá 3 ngày.

Trong xử lý phục vụ cấp nước, có 2 nguồn cung cấp nước nguồn là nước mặt và nước ngầm Mỗi loại nước có tính chất và thành phần rất khác nhau nên các công đoạn xử lý vì thế mà cũng rất đặc thù Nếu như nước mặt có ưu điểm là dễ khai thác hơn so với nước ngầm, thì nó lại có hạn chế rất lớn là dễ bị nhiễm bẩn bởi các tạp chất, các nguồn xả thải hay các dòng chảy mặt, trong khi đó nước ngầm tuy có ưu điểm là không bị nhiễm bấn bởi các tạp chất, hay chứa nhiều vi sinh vật như nước mặt nhưng lại hay bị nhiễm sắt và mangan

Có thể nói, có rất nhiều vấn đề cần phải được xem xét và giải quyết trong khai thác và xử lý nước phục vụ cấp nước cho sinh hoạt Tuy nhiên trong khuôn khổ bài báo cáo của nhóm 3, chúng em chỉ xin tập trung vào khía cạnh xử lý sắt và mangan trong xử lý nước ngầm

1 Tổng quan

1.1 Trạng thái tồn tại của sắt và mangan trong các nguồn nước tự nhiên

- Sắt và mangan đều gây ảnh hưởng đáng kể đến việc cấp nước, đặc biệt đối với nguồn nước ngầm Một số nguồn nước ngầm không chứa Fe và Mn, trong khi một số nguồn nước ngầm khác lại luôn chứa một lượng đáng kể Điều này chỉ có thể giải thích được trên cơ sở hóa vô cơ.

- Fe tồn tại trong đất và khoáng chất chủ yếu dưới dạng Fe2O3 không tan và quặng pyrit sắt FeS2 Một dạng khác của sắt là FeCO3 ít tan Vì nước ngầm chứa một lượng đáng kể CO2 , nên FeCO3 có thế bị hòa tan theo phương trình phản ứng sau:

FeCO3 + CO2 + H2O → Fe2+ + HCO3- (1)

- Phản ứng này không xảy ra ngay cả khi hàm lượng CO2 và FeCO3 cao nếu

có mặt oxi hòa tan Tuy nhiên trong điều kiện kỵ khí , Fe3+ bị khử thành Fe2+

• Giếng nước chất lượng tốt có hàm lượng Fe và Mn thấp Nếu sau đó chất lượng nước giảm đi, chứng tỏ chất thải hữu cơ thải ra mặt đất ở khu vực gần giếng nước đã tạo ra môi trường kỵ khí trong lớp đất

• Trên cơ sở nhiệt động học , Mn4+ và Fe3+ là trạng thái oxi hóa bền nhất của Fe và Mn trong các nguồn nước chứa oxy Do đó, chúng có thể bị khử thành Mn2+ và Fe2+ hòa tan chỉ trong môi trường kỵ khí.

• Những nghiên cứu gần đây cho thấy rằng một số vi sinh vật có khả năng

sử dụng Fe(III) và Mn(IV) làm chất nhận điện tử do quá trình trao đổi chất dưới điều kiện kỵ khí dẫn đến sự hình thành các dạng khử Fe(II) và Mn(II) Như vậy, vi sinh vật không chỉ tạo ra môi trường kỵ khí cần thiết cho quá trình khử mà còn có khả năng khử trực tiếp Fe và Mn

- Quá trình oxy hóa pyrit sắt (FeS2) không tan cũng là nguyên nhân tạo ra môi trường kỵ khí và sự hình thành sulfat sắt hòa tan:

2FeS2 + 7O2 + 2H2O → 2 Fe2+ + 4SO42- + 4H+

Nước tại các điểm khai thác nước ngầm khác nhau, có màu vàng nâu, vàng và đục

hoặc có khi trắng đục như sữa

1.2 Tác hại của sắt và mangan tới sức khỏe con người và vấn đề loại bỏ sắt và mangan trong phục vụ cấp nước

- Nước chứa sắt và mangan không ảnh hường đến sức khỏe con người Những nguồn nước này khi tiếp xúc với oxi không khí trở nên đục và tạo cảm quan không tốt đối với người sử dụng, do sự oxi hóa Fe2+ và Mn2+ thành

Fe3+ và Mn4+, tồn tại dưới dạng kết tủa keo

- Tốc độ oxy hóa chậm và các dạng khử có thể tồn tại trong nước đã sục khí trong một khoảng thời gian nhất định Điều này đặc biệt đúng khi pH < 6 đối với quá trình oxy hóa sắt và pH < 9 đối với quá trình oxy hóa mangan Thêm vào đó, sắt và mangan có thể tạo thành phức bền với các hợp chất humic trong nước Tốc độ oxy hóa gia tăng dưới tác dụng của một số chất xúc tác

vô cơ hoặc do hoạt động của các vi sinh vật Sắt và mangan có mặt trong nước sẽ làm vàng ố quần áo,ảnh hưởng đến hệ thống cấp nước do sự phát triển của vi khuẩn oxy hóa sắt Sắt cũng gây mùi tanh cho nguồn nước dù nồng độ rất nhỏ.Do đó tiêu chuẩn đối với nước cấp là < 0,3 mg Fe/L và < 0,05 mg Mn/L( U.S.Environmetal Protection Agency)

2 Đặc trưng nguồn nước nhiễm sắt, mangan và tiêu chí lựa chọn phương pháp xử lý

2.2 Đặc trưng nguồn nước nhiễm sắt, mangan

2.2.1 Sắt

- Sắt có mặt cả trong nước mặt và nước ngầm Hàm lượng sắt trong nước tự nhiên rất dao động, tùy thuộc vào nguồn nước cũng như thành phần địa chất khu vực dòng nước chảy qua Ngoài ra, tùy thuộc vào độ pH và sự có mặt của một số chất như cacbonat, CO2, O2, các chất hữu cơ tan trong nước, chúng sẽ oxy hóa hay khử sắt và làm cho sắt có thể tồn tại ở dạng tan hay kết tủa

- Trong nước mặt, do ion sắt hai dễ bị oxy hóa, nên sắt thường tồn tại ở dạng

Fe3+, thường là Fe(OH)3 dưới dạng keo hữu cơ, cặn huyền phù…, và có thể

dế dàng được loại bỏ cùng với độ đục

- Trong nước ngầm, sắt thường tồn tại dưới dạng Fe2+ trong các muối hòa tan: Fe(HCO3)2, FeSO4 Đôi khi tồn tại cả dưới dạng keo của axit humic, funvic hoặc keo silic Hàm lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không đồng đều, phụ thuộc vào các lớp trầm tích dưới đất sâu nơi

dòng nước chay qua Khi tiếp xúc với oxy hoặc các tác nhân oxy hóa, ion

Fe2+ bị oxy hóa thành ion Fe3+ và kết tủa thành các bông cặn Fe(OH)3 có màu nâu đỏ

• Các hợp chất vô cơ của ion sắt hoá trị II:

FeS, Fe(OH)2, FeCO3, Fe(HCO3)2, FeSO4, v.v…

• Các hợp chất vô cơ của ion sắt hoá trị III:

Fe(OH)3, FeCl3 …

• Các phức chất vô cơ của ion sắt với silicat, photphat

• Các phức chất hữu cơ của ion sắt với axit humic, funvic,…

- Các ion sắt hoà tan Fe(OH)+, Fe(OH)3 tồn tại tuỳ thuộc vào giá trị thế oxy hoá khử và pH của môi trường Trong đó Fe(OH)3 là chất keo tụ, dễ dàng lắng đọng trong các bể lắng và bể lọc Vì thế các hợp chất vô cơ của sắt hoà tan trong nước hoàn toàn có thể xử lý bằng phương pháp lý học: làm thoáng lấy oxy của không khí để oxy hoá sắt hoá trị II thành sắt hoá trị III và cho quá trình thuỷ phân, keo tụ Fe(OH)3 xảy ra hoàn toàn trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và các bể lọc

- Trong khi đó, các loại phức chất và hỗn hợp các ion hoà tan của sắt không thể khử bằng phương pháp lý học thông thường, mà phải kết hợp với phương pháp hoá học Muốn khử sắt ở dạng này phải cho thêm vào nước các chất oxy hoá như: Cl-, KMnO4, Ozone, để phá vỡ liên kết và oxy hoá ion sắt II thành ion hoá trị III hoặc cho vào nước các chất keo tụ FeCl3 , Al(SO4)3 và tiến hành kiềm hoá để có giá trị pH thích hợp cho quá trình

đông keo tụ các loại keo sắt và phèn xảy ra triệt để trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và bể lọc trong

- Mặc dù sắt không gây độc hại cho cơ thế, tuy nhiên nước có hàm lượng sắt cao hơn 0,5mg/l thường có mùi tanh khó chịu, chứa nhiều cặn bẩn màu vàng (kết tủa hydroxyt sắt 3), nước thường đục, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước ăn uống, sinh hoạt, sản xuất: làm ố vàng quần áo khi giặt, làm hỏng sản phẩm của các ngành dệt, giấy, phim ảnh, đồ hộp…các cặn sắt kết tủa có thể làm tắc hoặc làm giảm khả năng vận chuyển của các ống dẫn

nước Tiêu chuẩn nước uống và nước sạch đều quy định hàm lượng sắt nhỏ hơn 0,5 mg/l.

2.1.2 Mangan

- Mangan thường tồn tại trong nước cùng với sắt nhưng ở với hàm lượng ít hơn Nước có chứa mangan thường tạo ra lớp cặn màu đen đóng bám vào thành và đáy bồn chứa

- Trong nước, mangan tồn tại dưới dạng các muối tan của clorua, sunfat, nitrat

- Hàm lượng mangan trong nước tự nhiên trung bình là 0,58mg/l, hàm lượng này còn phụ thuộc vào nguồn nước và địa chất các khu vực nước chảy qua Mangan có độc tính rất thấp và không gây ung thư Ở hàm lượng cao hơn 0,15mg/l có thể tạo ra vị khó chịu, làm hoen ố quần áo Tiêu chuẩn nước uống và nước sạch đều quy định hàm lượng mangan nhỏ hơn 0,5mg/l

2.2 Các tiêu chí lựa chọn phương pháp xử lý nước nhiễm sắt và mangan

- Xử lý sắt và mangan luôn là ưu tiên hàng đầu trong xử lý nước ngầm làm nước sạch cung cấp cho cộng đồng dân cư Không chỉ ở quy mô công nghiệp, hay nhà máy xử lý nước lớn, vấn đề này từ lâu đã được ông cha ta đặc biệt quan tâm trong xử lý nước ở quy mô hộ gia đình với các bể lọc đơn giản

- Việc lựa chọn một hay một nhóm các phương pháp để loại sắt và mangan ra khỏi nước phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính, thành phần, hàm lượng các chất

có trong nguồn nước ngầm cần xử lý cũng như mục đích sử dụng của nước sau xử lý (để cấp cho sinh hoạt hay cọ rửa, sản xuất,…), khả năng tài chính…

- Các phương pháp được chọn dùng phải đảm bảo tối ưu nhất trong phạm vy

có thể không những về phương diện kỹ thuật mà còn cả về khía cạnh kinh tế

Do đó, trước khi quyết định sử dụng phương pháp nào, các nguồn nước thường được lấy mẫu để xét nghiệm thành phần và sau đó là tiến hành thử nghiệm hiệu quả của các phương pháp ở quy mô nhỏ trước khi áp dụng vào thực tế

3 Các phương pháp loại bỏ sắt và mangan trong nước ngầm trong khai thác, xử lý phục vụ cấp nước

- Quá trình oxi hóa diễn ra như sau:

- Trong quá trình làm thoáng nước , oxi được đưa vào sẽ oxi hóa 1 số hợp chất hữu cơ, đẩy CO2 ra, làm cho pH của nước tăng đẩy nhanh quá trình oxy hoá

và thuỷ phân sắt và mangan trong dây chuyền công nghệ khử sắt và mangan.

- Oxi hóa Fe(II) và Mn(II) theo phương trình sau:

+ Đối với Fe:

Trong nước có oxy hoà tan, sắt (II) hyđroxyt sẽ bị oxy hoá thành sắt (III) hyđroxyt theo phản ứng:

4Fe2+ + 8OH- + O2 +2H2O = 4Fe(OH)3 ↓ + 8H+

Sắt (III) hyđroxyt trong nước kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách ra khỏi nước một cách dễ dàng nhờ quá trình lắng lọc

Đặc biệt, trong nước ngầm, với sự có mặt của anion HCO3- nên có phản ứng sau:

H+ + HCO3- == H2O + CO2

Kết hợp các phản ứng trên ta có phản ứng chung của quá trình oxy hoá sắt như sau:

4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 ↓ + 8CO2

(pH tối ưu cho quá trình này là 9)+ Đối với Mn: tương tự như Fe, oxi hóa Mn diễn ra theo phương trình sau:

2Mn(HCO3)2 + O2 + 6H2O = 2Mn(OH)4↓ + 4H+ + 4HCO3

-(pH tối ưu cho quá trình này là =8.5-9.5)

3.1.2 Sử dụng giàn mưa hay quạt gió

- Có nhiều biện pháp làm thoáng, nhưng biện pháp thông dụng nhất là cho nước chảy qua các tấm đục lỗ thành tia như mưa (giàn mưa) Khi nước bị xé nhò thành tia như vậy thì nó tiếp xúc với không khí nhiều hơn và dễ dàng loại bỏ các khí không cần thiết và hòa tan oxy

3.1.3 Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc

- Nước cần khử sắt được làm thoáng bằng giàn phun mưa ngay trên bề mặt lọc Chiều cao giàn phun thường lấy cao khoảng 0,7m, lỗ phun có đường kính từ 5-7mm, lưu lượng tưới vào khoảng 10 m3/m2.h Lượng ôxy hoà tan trong nước sau khi làm thoáng ở nhiệt độ 250oC lấy bằng 40% lượng ôxy hoà tan bão hoà (ở 250C lượng ôxy bão hoà bằng 8,1 mg/l)

3.1.4 Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên

- Nước cần làm thoáng được tưới lên giàn làm thoáng một bậc hay nhiều bậc với các sàn rải xỉ hoặc tre gỗ

- Lưu lượng tưới và chiều cao tháp cũng lấy như trường hợp trên Lượng ôxy hoà tan sau làm thoáng bằng 55% lượng ôxy hoà tan bão hoà

3.1.5 Làm thoáng cưỡng bức (giàn mưa có quạt gió và có áp lực đẩy nước)

- Cũng có thể dùng tháp làm thoáng cưỡng bức với lưu lượng tưới từ 30 đến

40 m3/h Lượng không khí tiếp xúc lấy từ 4 đến 6 m3 cho 1m3 nước Lượng ôxy hoà tan sau làm thoáng bằng 70% hàm lượng ôxy hoà tan bão hoà Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 75%

3.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng

- pH:

Nếu coi phương trình (*) là xuất phát điểm, vì vậy phương trình động học của phản ứng oxi hóa Fe(II) có dạng:

= -kO2 [O2]at [OH-]2 [Fe2+]

Từ phương trình, ta thấy vận tốc oxi hóa Fe(II) tỉ lệ thuận với lượng Fe(II) trong nước, nhưng tỉ lệ thuận với bình phương [OH - ] Như vậy, pH là quan trọng nhất.Những kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến khả năng oxi hóa của Fe(II) chỉ

ra rằng: pH thấp hơn 6.6 phản ứng xảy ra rất chậm từ pH từ 6.8 trở lên phản ứng

có thể hoàn thành trong thời gian nhỏ hơn 60 phút (đối với Fe tối ưu là 9 và Mn tối

ưu là là 8.5 đến 9.5) Vì vậy, trong thực tế, nếu pH chưa đạt thì người ta thường tăng độ kiềm của nước bằng vôi hoặc soda trước khi đưa vào bộ phận làm thoáng

- Nhiệt độ của môi trường, nhiệt độ tăng lợi cho quá trình khử khí ra khỏi nước

- Thời gian tiếp xúc giữa 2 pha khí nước trong công trình, thời gian tiếp xúc càng lớn mức độ trao đổi càng triệt để.

- Diện tích tiếp xúc giữa 2 pha khí và nước, diện tích tiếp xúc càng lớn, quá trình trao đổi khí diễn ra càng nhanh

3.2.1 Khử sắt và mangan bằng Clo

- Quá trình khử sắt bằng clo được thực hiện nhờ phản ứng sau:

2Fe2+ + Cl + 6H O  2Fe(OH) ↓+ 6H+ + 2Cl

-3.2.2 Khử sắt và mangan bằng Kali Permanganat (KMnO 4 )

- Khi dùng KMnO4 để khử sắt, quá trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan (IV) hyđroxyt vừa được tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử Phản ứng xảy ra theo phương trình sau:

3Fe2+ + MnO4- +5OH-  3Fe(OH)3↓ + MnO2 3Mn2+ +2 MnO4- +4OH- 5MnO2 ↓ + 2H2O

- Nhược điểm của phương pháp này là phải dùng đến các thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp, cho nên thường kết hợp khử sắt với quá trình

xử lý khác như xử lý ổn định nước bằng kiềm, làm mềm nước bằng vôi kết hợp với sôđa

3.2.5 Trao đổi cation

 Nguyên tắc: cho lớp nước chứa sắt lọc qua lớp lọc vật liệu đặc biệt, các

cation của sắt tham gia quá trình trao đổi với các cation có trong thành phần của lớp vật liệu lọc (cationit), được giữ lại trong lớp vật liệu lọc và như vậy nước được làm sạch