khử sắt bằng làm thoáng

Trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm Thành phố Hồ Chí Minh Khoa CNSH-KTMT Bài tiểu luận Đề tài: Khử sắt làm thoáng GVHD: Nguyễn Đức Đạt Đức Nhóm: TP.HCM, 20/10/2016 Mục lục Danh sách nhóm 4: Nguyễn Thị Thanh Thảo 2009140369 Trương Thị Nga 2009140333 Đoàn Vủ Linh 2009140456 Nguyễn Thị Mỹ Thuận 2009140265 Phạm Hoàng Đạt 2009140026 Nguyễn Trần Đăng Danh 2009140370 Mở đầu Khi xã hội ngày phát triển, đồng nghĩa với việc chất lượng sống người ngày cải thiện nâng cao Kéo theo đó, nhu cầu tất yếu phục sống thường ngày xã hội dư luận trọng quan tâm trước Một nhu cầu thiếu phục vụ người nước cấp cho ăn uống sinh hoạt Vai trò nước quan trọng tồn cảu người sinh vật, người nhịn đói tuàn không thiếu nước uống ngày Trong xử lý phục vụ cấp nước, có hai nguồn cung cấp nước nước mặt nước ngầm Mỗi loại nước có tính chất thành phần khác nên công đoạn xử lý đặc trưng riêng Nếu nước mặt có ưu điểm dễ khai so với nước ngầm, có có hạn chế lớn dễ bị nhiễm bẩn tạp chất, nguồn nước xả thải hay dòng chảy mặt Trong nước ngầm có ưu điểm khồn bị nhiễm bẩn, hay chứa nhiều vi sinh vật nước ngầm lại bị nhiễm sắt Có thể nói, có nhiều vấn đề cần phải xem xét giải khia thác xử lý nước phục vụ cấp nước cho sinh hoạt Tuy nhiên khổ báo cáo nhóm 4, chúng em xin tập vào khía cạnh xử lý sắt phương pháp làm thoáng Tổng quan 1.1 Trạng thái tồn sắt nước 1.1.1 Các hợp chất vô sắt hóa trị II FeS, Fe(OH)2, FeCO3, Fe(HCO3)2, FeSO4… 1.1.2.Các hợp chất vô sắt hóa trị II Fe(OH)3, FeCl3 … keo hyđroxyt sắt hóa trị III Fe(OH)3 chất keo tụ dễ dàng lắng động bể lắng bể lọc Vì hợp chất vô sắt hòa tan nước hoàn toàn xử lý phương pháp lọc: làm thoáng lấy oxy không khí để oxy hóa sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III cho trình thủy phân, keo tụ Fe(OH)3 xảy hoàn toàn bể lắng, bể lọc tiếp xúc bể lọc 1.1.3 Các phức chất vô ion sắt silicat, photphat (FeSiO (OH)3) Các phức chất hữu ion sắt với axit humic, funvic… Các ion sắt hòa tan Fe(OH)+, Fe(OH)3- tồn tùy thuộc vào giá trị oxy - hóa khử pH môi trường Các loại phức chất hỗn hợp ion hòa tan sắt khử phương pháp lý học thông thường, mà phải kết hợp với phương pháp hóa học Muốn khử sắt dạng phải cho thêm vào nước chất oxy hóa như: KMnO4, ozon để phá vỡ liên kết oxy hóa ion sắt thành ion hóa trị III cho vào nước chất keo tụ FeCl3, Al2(SO4)3 kiềm hóa để có giá trị pH thích hợp cho trình đồng keo tụ loại keo sắt phèn xảy triệt để bể lắng, bể lọc tiếp xúc bể lọc 1.2 Tác hại sắt tơi sức khỏe người vấn đề loại bỏ sắt việc phục vụ nước cấp Nước chứa sắt không ảnh hưởng đến sức khỏe người Những nguồn nước tiếp xúc với oxi không khí trở nên đục tạo cảm quan không tốt người sử dụng, oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ , tồn dạng kết tủa keo Mặc dù nước chứa sắt không gây độc hại đến thể nhiên nước có hàm lượng sắt cao 0.5 mg/l nước thường đục có mùi gây ảnh hưởng đến chất lượng nước ăn uống , sinh hoạt sản xuất : làm ố vàng quần áo giặt, làm hỏng sản phẩm nghành dết, giấy , phim ảnh ,đồ hộp cặn sắt kết tủa làm tắc giảm khả vận chuyển ống dẫn nước Ngoài nước bị nhiễm sắt làm cho thực phẩm biến chất, thay đổi màu sắt, mùi vị làm giảm việc tiêu hóa hấp thu loại thực phẩm, gây khó tiêu, nước nhiễm sắt dùng để pha trà làm hương vị trà, nước nhiễm sắt dùng để nấu cơm làm cho cơm có màu xám 1.3 Nguyên nhân nước nhiễm sắt Trong tự nhiên sắt tồn đất khoáng chất chủ yếu dạng Fe 2O3 không tan quặng pyrit sắt FeS2 Một dạng khác sắt FeCO3 tan Do ảnh hưởng điều kiện địa tầng, thời tiết, nắng mưa, trình phong hóa sinh hóa khu vực làm nguồn nước bị nhiễm sắt, nước chứa CO2 , nên FeCO3 bị hòa tan theo phương trình: FeCO3 +CO2 + H2O Fe2+ + HCO3- Phản ứng không xảy hàm lượng CO2 FeCO3 cao có mặt oxi hòa tan Tuy nhiên điều kiện kỵ khí, Fe3+ bị khử thành Fe2+ cách dễ dàng Fe tồn nguồn nước thay đổi điều kiện môi trường tác dụng phản ứng sinh học xảy trường hợp sau: Trong nước ngầm có chứa lượng Fe đáng kể , không chứa oxi hòa tan có hàm lượng CO2 cao Fe tồn dạng Fe2+ Hàm lượng CO2 cao chứng tỏ trình Oxy hóa chất hữu tác dụng vi sinh vật xảy nồng độ oxi hòa tan không , chứng tỏ điều kiện kỵ khí hình thành Trong giếng nước có hàm lượng Fe thấp Nếu sau chất lượng nước giảm chát hữu thải mặt đất khu vực gần giếng nước tạo môi trường kỵ khí lớp đất Trên sở nhiệt động học Fe3+ trạng thái bềnh Fe nguồn nước chứa oxy chúng bị khử thành Fe2+ hòa tan môi trường kỵ khí Những nghiên cứu gần cho thấy số vi sinh vật có khả sử dụng Fe(III) làm chất nhận điện tử trình trao đổi chất điều kiện kỵ khí dẫn đến hình thành dạng khử Fe(II) Như vậy, vi sinh vật không tạo môi trường kỵ khí cần thiết cho trình khử mà có có khả khử trực tiếp Fe Quá trình oxy hóa pyrit sắt (FeS2) không tan nguyên nhân tạo môi trường kỵ khí hình thành sulfat sắt hòa tan: 2FeS2 +7O2 + H2O 2.1 2Fe2+ + 4SO42- +4H+ Đặc trưng nguồn nước nhiễm sắt tiêu chí chọn phương pháp xử lý Đặc trưng nguồn nước nhiễm sắt: Sắt có mặt nước mặt nước ngầm Hàm lượng sắt nước tự nhiên dao động, tùy thuộc nguồn nước thành phần địa chất khu vực nước chảy qua Ngoài ra, tùy thuộc vào độ pH có mặt số chất cacbonat, CO 2, O2, chất hữu tan nước, chúng oxy hóa hay khử sắt làm cho sắt tồn dạng tan hay kết tủa Trong nước mặt, ion Fe2+ dễ bị oxy hóa nên sắt thường tồn dạng Fe3+ thường Fe(OH)3 dạng keo hữu cơ, cặn huyền phù…., dễ dàng loại bỏ với độ đục Trong nước ngầm, hàm lượng sắt thường cao phân bố không đồng đều, phụ thuộc vào lớp trầm tích đất sâu nơi dòng nước chảy qua Khi tiếp xúc với oxy tác nhân oxy hóa, ion Fe2+ bị oxy hóa thành Fe3+ kết tủa tạo thành cặn Fe(OH)3 có màu nâu đỏ Các ion sắt hòa tan Fe(OH)2, Fe(OH)3 tồn tùy thuộc giá trị oxy hóa khử pH môi trường Trong Fe(OH)3 chất keo tụ, dễ dàng lắng đọng bể lắng bể lọc Vì thé hợp chất vô sắt hòa tan nước hoàn toàn xử lý phương pháp lý học: làm thoáng lấy oxy không khí để oxy hóa sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III cho trình thủy phân, keo tụ Fe(OH)3 xảy hoàn toàn bể lắng, bể lọc tiếp xúc bể lọc Trong đó, loại phức chất hỗn hợp ion hoàn tan sắt khử phương pháp lý học thong thường, mà phải kết hợp với phương pháp hóa học Muốn khử sắt dạng phải cho thêm vào nước chất oxy hóa như: Cl -, KMnO4, Ozone, để phá vỡ lien kết oxy hóa ion sắt II thành ion sắt hóa trị III cho vào nước chất keo tụ FeCl3, Al2(SO4)3 tiến hành kiềm hóa để có giá trị pH thích hợp cho trình 2.2 Tiêu chí chọn phương pháp: Việc lựa chọn hay nhóm phương pháp để loại bỏ sắt khỏi nước phụ thuộc nhiều vào đặc tính , thành phần, hàm lượng chất có nguồn nước ngầm cần xử lý mục đích sử dụng nước sau xử lý (cấp cho sinh hoạt hay cọ rửa, sản xuất, ), khả tài chính… Các phương pháp chọn dùng phải đảm bảo tối ưu phạm vy phương diện kỹ thuật mà khía cạnh kinh tế Do đó, trước định sử dụng phương pháp nào, nguồn nước thường lấy mẫu để phân tích thành phần sau tiến hành thử nghiệm hiệu phương pháp quy mô nhỏ trước áp dụng thực tế Loại bỏ sắt khỏi nguồn nước phương pháp làm thoáng 3.1 Mục đích phương pháp làm thoáng: - Lấy oxy từ không khí để oxy hóa sắt hóa trị II hòa tan nước Khử khí CO2 nâng cao pH nước đẻ đẩy nhanh trình oxy hóa thủy phân - sắt dây chuyền công nghệ khử sắt Làm giàu oxy để tăng oxy hóa khử nước, khử chất bẩn dạng khí hòa tan nước 3.2 Nguyên tắc phương pháp làm thoáng cách làm thoáng 3.2.1 Nguyên tắc phương pháp làm thoáng: Nguyên tắc phương pháp làm thoáng để loaị bỏ sắt khỏi nước cách làm giàu oxi, tạo điều kiện để oxi hóa Fe(II) thành Fe(III) phân hủy tạo thành hợp chất tan sắt hidroxyt Fe(OH)3 kết tủa Quá trình oxi hóa diễn sau: Trong trình làm thoáng nước, oxi đưa vào oxi hóa số hợp chất hữu cơ, đẩy CO2 ra, làm cho pH nước tăng đẩy nhanh trình oxi hóa thủy phân sắt mangan dây chuyền công nghệ khử sắt mangan Oxi hóa Fe(II) theo phương trình sau: Trong nước có oxi hòa tan, sắt (II) hyđroxyt bị oxy hóa thành sắt (III) hyđroxyt theo phản ứng : 4Fe2+ + 8OH- + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 + 8H+ Sắt (III) hyđroxyt nước kết tủa thành cặn màu vàng tách khỏi nước cách dễ dàng nhờ trình lắng lọc Đặc biệt, nước ngầm, với có mặt anion HCO3- nên có phản ứng sau : H+ + HCO3- H2O + CO2 Kết hợp phản ứng ta có phản ứng chung trình oxy hóa sắt sau : 4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 + 8CO2 3.2.2 Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc Nước cần khử sắt làm thoáng giàn phun mưa 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 oxy hòa tan nước sau làm thoáng nhiệt độ 250oC lấy 40% lượng oxy hòa tan bão hòa (ở 250oC lượng oxy bão hòa 8,1 mg/l) Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc 3.2.3 Làm thoáng giàn mưa tự nhiên Làm thoáng giàn mưa 10 Nước cần làm thoáng tưới lên giàn làm thoáng bậc hay nhiều bậc với sàn rải xỉ tre gỗ Lưu lượng tưới chiều cao tháp lấy trường hợp Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng 55% lượng oxy hòa tan bão hòa Hàm lượng CO sau làm thoáng giảm 50% 3.2.4 Làm thoáng cưỡng (giàn mưa có quạt gió có áp lực đẩy nước) Cũng dùng tháp làm thoáng cưỡng với lưu lượng tưới từ 30 đến 40 m3/h Lượng không khí tiếp xúc lấy từ đến 6m3 cho 1m3 nước Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng 70% hàm lượng oxy hòa tan bão hòa Hàm lượng CO sau làm thoáng giảm 75% 3.3 Một số thiết bị khử sắt thường sử dụng: 3.3.1 Làm thoáng đơn giản bề mặt bể lọc: Người ta dùng giàn ống khoan lỗ phun mưa bề mặt lọc, lỗ phun có đường kính 5-7 mm, tia nước dùng áp lực phun lên với độ cao 0.5 – 0.6m Lưu lượng phun vào khoảng 10m3/m2.h Làm thoáng trực tiếp bề mặt bể lọc nên áp dụng nước nguồn có hàm lượng sắt thấp khử CO2 11 Làm thoáng nhiều bậc máng tràn Làm thoáng dàn ống khoan lỗ 3.3.2 Tháp làm thoáng tự nhiên: Sử dụng tháp làm thoáng tự nhiên (giàn mưa) cần làm giàu oxi kết hợp khử khí CO Do khả trao đổi O2 lớn CO2 nên tháp thiết kế cho trường hợp khử CO2 Giàn mưa cho khả thu lượng oxi hòa tan 55% lượng oxi bão hòa có khả khử 75% - 80% lượng CO2 có nước lượng CO2 lại sau làm thoáng không xuống thấp 5-6 mg/l 3.3.3 Tháp làm thoáng cưỡng bức: Cấu tạo tháp làm thoáng cưỡng gần giống tháp làm thoáng tự nhiên, khác không khí đưa vào tháp cưỡng quạt gió Không khí ngược chiều với chiều rơi tia nước Lưu lượng tưới thường lấy từ 30 đến 40 m3/m2.h Lượng không khí cấp vào từ đến m3 cho 1m3 nước cần làm thoáng Làm thoáng cưỡng – thùng quạt gió 3.3.4 Bể lắng tiếp xúc: 12 Bể lắng tiếp xúc có chức giữ nước lại sau trình làm thoáng thời gian để trình oxy hóa thủy phân sắt diễn hoàn toàn, đồng thời tách phần cặn nặng trước chuyể sang bể lọc Trong thực tế thường lấy thời gian lưu nước từ 30 – 45 phút Bể lắng tiếp xúc thiết kế bể lắng đứng thường đặt giàn làm thoáng Bể lọc tiếp xúc hay bể lọc sơ áp dụng hàm lượng sắt nước nguồn cao cần khử đồng thời mangan Bể lọc tiếp xúc có cấu tạo bể lọc thông thường với lớp vật liệu lọc sỏi, than antraxit, sành sứ, có kích thước hạt lớn Tốc độ thường lọc khống chế khoảng 15 – 20m/h Giàn mưa kết hợp với bể lắng tiếp xúc 3.3.5 Bể lọc cặn sắt: Vật liệu lọc lấy cấp phối hạt lớn hơn, đường kính trung bình hạt từ 0.9 đến 1.3 mm, bề dày lớp vật liệu lọc 1m đến 1,2m, tốc độ lọc từ – 10m/h Do cặn sắt bám nên phải rửa lọc nước khí kết hợp, lưu lượng nước từ 10 – 12l/m 2.s Nếu sử dụng bể lọc hai lớp gồm antraxit cát thạch anh hiệu xử lí cao 13 Bể lọc chậm 3.4 Bể lọc nhanh Các yếu tố ảnh hưởng đến trình khử sắt: Tốc độ phản ứng trình oxy hóa thủy phân Fe2+ thành Fe3+ tuỳ thuộc vào lượng oxy hòa tan nước Tốc độ phản ứng tăng nồng độ oxy hòa tan tron nước tăng lên Để oxy hóa 1mg sắt(II) tiêu tốn 0,143mg oxy Thời gian oxy hóa thủy phân sắt công trình phụ thuộc vào trị số pH nước lấy sau: pH Thời gian tiếp xúc cần thiết bể lắng bể lọc (thời gian lưu nước) (phút) Thời gian tiếp xúc cần thiết (thời gian lưu nước) bể lọc tiếp xúc ( bể lọc 1) bể lọc (bể lọc đợt 6,0 90 6,5 60 6,6 45 6,7 30 6,8 25 6,9 20 15 >= 7,5 10 60 45 35 25 20 15 12 14 2) (phút) Tốc độ lọc qua bể tiếp xúc lấy – 20m/h tùy thuộc vào thời gian lưu nước cần thiết lượng cặn cần giữ lại cho qua bể lọc đợt hàm lượng cặn lại qua bể lọc (lọc đợt 2) < 15 mg/l Tốc độ lọc qua bể lọc lấy – m/h tùy thuộc vào chiều dày cỡ hạt lớp vật liệu lọc thời gian lưu nước cần thiết Nhiệt độ môi trường, nhiệt độ tang lợi cho trình khử khí khỏi nước Thời gian tiếp xúc hai pha khí nước, diện tích tiếp xúc lớn, trình trao đổi triệt để Hàm lượng oxy, hàm lượng sắt, hàm lượng H2S, NH3 chất bẩn hữu cơ: H2S[...]... lượng sắt thấp và không phải khử CO2 11 Làm thoáng nhiều bậc bằng máng tràn Làm thoáng bằng dàn ống khoan lỗ 3.3.2 Tháp làm thoáng tự nhiên: Sử dụng tháp làm thoáng tự nhiên (giàn mưa) khi cần làm giàu oxi kết hợp khử khí CO 2 Do khả năng trao đổi của O2 lớn hơn CO2 nên tháp được thiết kế cho trường hợp khử CO2 Giàn mưa cho khả năng thu được lượng oxi hòa tan bằng 55% lượng oxi bão hòa và có khả năng khử. ..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 oxy hòa tan sau làm thoáng bằng 55% lượng oxy hòa tan bão hòa Hàm lượng CO 2 sau làm thoáng giảm 50% 3.2.4 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... làm thoáng không xuống thấp hơn 5-6 mg/l 3.3.3 Tháp làm thoáng cưỡng bức: Cấu tạo của tháp làm thoáng cưỡng bức cũng gần giống như tháp làm thoáng tự nhiên, ở đây chỉ khác là không khí được đưa vào tháp cưỡng bức bằng quạt gió Không khí đi ngược chiều với chiều rơi của các tia nước Lưu lượng tưới thường lấy từ 30 đến 40 m3/m2.h Lượng không khí cấp vào từ 4 đến 6 m3 cho 1m3 nước cần làm thoáng Làm thoáng. .. Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng bằng 70% hàm lượng oxy hòa tan bão hòa Hàm lượng CO 2 sau làm thoáng giảm 75% 3.3 Một số thiết bị khử sắt thường được sử dụng: 3.3.1 Làm thoáng đơn giản trên bề mặt bể lọc: Người ta dùng giàn ống khoan lỗ phun mưa trên bề mặt lọc, lỗ phun có đường kính 5-7 mm, tia nước dùng áp lực phun lên với độ cao 0.5 – 0.6m Lưu lượng phun vào khoảng 10m3/m2.h Làm thoáng trực tiếp trên... vận hành thấp, dễ thực hiện Nhược điểm: Chi phí xây dựng cao, chỉ hiệu quả khi hàm lượng sắt nhỏ, thời gian loại bỏ sắt lâu 15 4 Kết luận Phương pháp làm thoáng chỉ phù hợp cho hộ gia đình và quy mô công nghiệp nhỏ, ở những nơi có mặt bằng xử lý rộng và nguồn nước bị nhiễm sắt với nồng độ nhỏ Nếu nguồn nước bị nhiễm sắt cao thì cần phải bổ sung các hóa chất như H2O2, NaOH, các loại phèn…, vào nước để... lại sau quá trình làm thoáng trong một thời gian đã để quá trình oxy hóa và thủy phân sắt diễn ra hoàn toàn, đồng thời tách một phần cặn nặng trước khi chuyể sang bể lọc Trong thực tế thường lấy thời gian lưu của nước từ 30 – 45 phút Bể lắng tiếp xúc có thể được thiết kế như bể lắng đứng và thường đặt ngay dưới giàn làm thoáng Bể lọc tiếp xúc hay bể lọc sơ bộ được áp dụng khi hàm lượng sắt trong nước... đến 1.3 mm, bề dày lớp vật liệu lọc 1m đến 1,2m, tốc độ lọc từ 5 – 10m/h Do cặn sắt bám chắc nên phải rửa lọc bằng nước và khí kết hợp, lưu lượng nước từ 10 – 12l/m 2.s Nếu sử dụng bể lọc hai lớp gồm antraxit và cát thạch anh thì hiệu quả xử lí sẽ cao hơn 13 Bể lọc chậm 3.4 Bể lọc nhanh Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt: Tốc độ phản ứng của quá trình oxy hóa và thủy phân Fe2+ thành Fe3+ tuỳ thuộc... hợp với phương pháp lọc chậm hay phương pháp khử săt bằng hóa chất Ta có thể tìm hiểu thêm các công nghệ xử lý kết hợp như: làm thoán-lắng hoặc lọc tiếp xúc-lọc trong(hàm lượng Fe>10mg/l) 16 5 Tài liệu tham khảo: 1 Trịnh Xuân Lai , “ Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp (2004)”, tr.309-324 2 Trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội, “Báo cáo về ô nhiễm sắt và mangan trong nguồn nước, công nghệ xử... lọc sơ bộ được áp dụng khi hàm lượng sắt trong nước nguồn cao hoặc cần khử đồng thời cả mangan Bể lọc tiếp xúc có cấu tạo như các bể lọc thông thường với lớp vật liệu lọc bằng sỏi, than antraxit, sành sứ, có kích thước hạt lớn Tốc độ thường lọc khống chế trong khoảng 15 – 20m/h Giàn mưa kết hợp với bể lắng tiếp xúc 3.3.5 Bể lọc cặn sắt: Vật liệu lọc có thể lấy cấp phối hạt lớn hơn, đường kính trung bình... của quá trình oxy hóa và thủy phân Fe2+ thành Fe3+ tuỳ thuộc vào lượng oxy hòa tan trong nước Tốc độ phản ứng tăng khi nồng độ oxy hòa tan tron nước tăng lên Để oxy hóa 1mg sắt( II) tiêu tốn 0,143mg oxy Thời gian oxy hóa và thủy phân sắt trên công trình phụ thuộc vào trị số pH của nước có thể lấy như sau: pH Thời gian tiếp xúc cần thiết trong bể lắng và bể lọc (thời gian lưu nước) (phút) Thời gian tiếp