N.V.Anh-Xu ly nuoc cap-Chuong 4. Xu ly Fe & Mn

B i giảng: Trạm xử lý nớc trờng đại học xây dựng Công nghệ xử lý nớc PGS TS Nguyễn Việt Anh PCN Bộ môn Cấp thoát nớc, Trờng Đại học Xây dựng Tháng năm 2009 Xử lý sắt v mangan PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, Trờng ĐHXD B i giảng: Trạm xử lý nớc Trạng thái tồn sắt nớc thiên nhiên * Quặng sắt: Quặng sắt đỏ (Gematit) Fe2O3 , Mactit Fe3O4, Quặng sắt nâu Fe(OH)2, FeCO3 * Nớc ngầm: Sắt tồn dới dạng ion Fe2+ muối Fe(HCO3)2 (khi oxi), ngo2i có FeS, FeSO4, FeCl2 * Nớc mặt: Trong nớc mặt, sắt tồn dạng ion hoá trị dới dạng phức chất sắt, hợp chật hữu v2 vô sắt thể keo v2 thể hạt phân tán lơ lửng * Với h2m lợng sắt cao, nớc có vị v2 tạo cặn bẩn m2u v2ng, ảnh hởng đến chất lợng nớc cấp cho sinh hoạt v2 công nghiệp Do cần tiến h2nh khử bỏ để giảm h2m lợng sắt nớc đến giới hạn cho phép trớc sử dụng Dạng tồn sắt phụ thuộc chủ yếu v2o ®iƯn thÕ oxy ho¸ khư cđa n−íc v2 ®é pH Fe2+ bền vững dung dịch có mặt CO2 tự v2 chất oxy hoá Có chất oxy hoá: Fe2+ đợc oxy hoá th2nh Fe3+, thuỷ phân, keo tụ lắng xuống dới dạng Fe(OH)3 Fe2+ + 2HCO3R + H2O → Fe(OH)2 (Ýt tan) + H2CO3 v2 loạt hợp chất trung gian : Fe(HCO3)2, Fe(OH)2, Fe2+, Fe(OH)+ 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 Khi pH 6.8: thuỷ phân v2 tạo cặn lắng + hợp chất trung gian : Fe(OH)++ & Fe(OH)2+ PGS TS Ngun ViƯt Anh, Bé m«n CTN, Trờng ĐHXD B i giảng: Trạm xử lý nớc S¾t chØ ho2 tan ë pH thÊp : pH >3.5 Nồng độ Fe3+ trạng thái ho2 tan < 0.5mg/l pH=4: n−íc cã thĨ chøa 0.05 mg/l Fe(OH)3 pH↑, n−íc cã thÓ chøa ≤ 0.001 mg/l Fe(OH)3 ( rÊt Ýt tan) pH c2ng cao, Fe2+ c2ng dễ bị oxi hoá, với oxi hoá khử cần thiết c2ng bé pH 3.000 m3/ngđ ngăn ngang + Q3.000 m3/ngđ ngăn đứng R Sử dụng vách ngăn hớng dòng tăng hệ số sử dụng thể tích bể tránh tạo vùng chết bể R Thông thờng: + Bể tiếp xúc đứng: t = 30 R 45 + BĨ tiÕp xóc ngang: t = 60 R 90 phút R Dựa v2o lợng cặn tính toán: Cmax = C0max +1,92 [Fe2+] R 0,25M + Lvôi + NÕu Cmax ≤ 20 mg/l th× sư dơng bĨ tiÕp xóc + NÕu Cmax > 20 mg/l th× sư dơng bĨ l¾ng tiÕp xóc R Th−êng: + BĨ l¾ng tiÕp xóc ®øng: t = 60 R 90 + BĨ tiÕp xóc ngang: t = 90 R 120 PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, Trờng ĐHXD B i giảng: Trạm xử lý nớc Bể lọc BÓ läc nhanh BÓ läc chËm Gi n m−a → läc ph¸ →läc chËm Gi n m−a →läc chËm BĨ läc ¸p lùc Läc ¸p lùc mét bËc Läc ¸p lực hai bậc Nh máy nớc Việt Ho , Hải Dơng Q = 10200 m3/ngđ PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, Trờng ĐHXD B i giảng: Trạm xử lý nớc Xử lý sắt hoá chất * Khi nớc có chất hữu cơ, tổ hợp chất hữu tạo th2nh keo bảo vệ ion sắt, chúng ngăn cản trình thuỷ phân v2 oxy hoá sắt Trong nhiều trờng hợp, muốn xử lý sắt trớc hết phải phá vỡ m2ng bảo vệ hữu tác dụng chất oxy hoá mạnh Đối với nớc ngầm h2m lợng sắt cao đồng thời tồn H2S lợng oxy thu đợc l2m thoáng không đủ để oxy hoá ho2n to2n H2S v2 sắt, trờng hợp n2y cần dùng hoá chất để xử lý sắt Các phơng pháp dùng hoá chất ®Ĩ xư lý s¾t gåm cã: R Xư lý s¾t vôi R Xử lý sắt phèn (thờng dùng PAC (NMN T−¬ng Mai: cho PAC tr−íc bĨ läc – trợ keo hydroxyt sắt) R Xử lý sắt Clo R Xư lý s¾t b»ng kali permanganat (KMnO4) Khư mangan n−íc + Th−êng tån t¹i (song h nh) víi Sắt nớc ngầm + Oxi hoá (bằng O2, KMnO4 , Cl2, O3), chuyÓn Mn2+ th nh Mn3+, Mn4+ ë dạng Mn(OH)3 v Mn(OH)4 không tan, (đôi dạng Mn6+) Tách khỏi nớc phơng pháp lọc Mn(OH)2 + O2 → Mn2O3 + H2O Mn2O3 +0,5 O2 + H2O Mn(OH)4 (Phải có đủ O2 v/ pH 8,5 ~ 9,5) + Läc xóc t¸c (Zeolit, Dioxit Mangan, ) + KÕt hỵp víi l m mỊm nớc Vôi, Xô đa + Trao đổi ion (HTKationit, NaTKationit) + Phơng pháp sinh học + v.v PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, Trờng ĐHXD B i giảng: Trạm xử lý nớc Khử mangan Lí thut khư Mangan R Mn th−êng tån t¹i song song với sắt Fe (II) nớc ngầm v2 tồn dới dạng keo hữu nớc mặt Do xử lí Mn đồng thời với việc khử sắt 2Mn(HCO3)2 + O2 + 6H2O → 2Mn(OH)2 + 4H+ + 4HCO3R R pH tăng, theo nguyên lí chuyển dịch Le Saclie tốc độ oxi hoá v2 thuỷ phân Mn tăng R Xét ORP trình khử Mn: EMn + / Mn + = 1,23 − 0.12 pH − 0,03 lg aMn + Trong ®ã: + aMn2+ : l2 hoạt độ ion Mn2+ nớc a Mn2+= fMn2+.CMn2+ + f : hệ số hoạt độ (trong n−íc fMn2+ = 0,6 + CMn2+ : nång ®é ion Mn2+ n−íc Khư mangan R Trong thùc tÕ: Sau l2m thoáng, oxi hoá chất dễ bị oxi hoá trớc đến Mn ORP nớc 0,2V, suy để [Mn] = 0,2 pH = R Kết thực nghiệm: pH < v2 xúc tác trình oxi hoá Mn2+ th2nh Mn4+ rÊt chËm → pH tèi −u l2 8,5 R 9,5 R Tơng tự sắt: l2m thoáng, lắng v2 sau l2 lọc Trong trình lọc, hạt đợc phủ dần lớp Mn(OH)4 tích điện âm, có tác động xóc t¸c hÊp thơ ion Mn2+ v2 oxi ho¸ chóng Mn(OH)4 + Mn(OH)2 → 2Mn(OH)3 4Mn(OH)3 + O2 + 2H2O→ 4Mn(OH)4 R Líp phđ Mn(OH)4 míi t¹o th2nh l¹i tham gia phản ứng tạo chu trình phản ứng liên tơc → E phơ thc v2o líp phđ Mn(OH)4 thân trình khử tạo nên Ta có: + Cha có xúc tác E đạt đợc với pH + Đk có lớp xúc tác E đạt đợc với pH = 8,2 PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, Trờng ĐHXD 10 B i giảng: Trạm xử lý nớc Khử mangan R Để sớm đa bể lọc v2o hoạt động, cần pha thêm dung dịch KMnO4 R 3mg/l v2o nớc v2i ng2y đầu v2 nâng pH lên > R Thời gian tạo m2ng xóc t¸c: R 10 ng2y (l−u ý rửa lọc tránh để trôi lớp m2ng) R Muốn đạt đợc E cao sử dụng cát đen (có phủ mét líp MnO2) R NÕu cã c¶ Fe v2 Mn phải có đủ O2 Fe đợc oxi hoá trớc Mn xảy lớp cát lọc bên dới Xử lí Mn đợc phân l$m loại: Xử lí có xúc tác: l2m thoáng, tiếp xúc lắng v2 lọc (1 R lớp) Fe bị oxi ho¸ hÕt m2 pH ≥ 8, E khư Mn sÏ rÊt cao, Hvll ≥ 1,5m (nªn dïng vËt liƯu läc lớp: than antraxit v2 cát) * Ưu điểm: bể lọc, Mn(OH)4 tạo l2 xúc tác cho trình tăng E * Nhợc điểm: rửa lọc phức tạp rửa cặn sắt (lớp trên) với v lớn l2m cho lớp xúc tác bị trôi từ lớp cát dới Khử mangan Xử lí không xúc tác: Bậc I, xử lí l2m thoáng, lắng, lọc, nâng pH lên Nếu h2m lợng DO lại không đủ l2m thoáng lần 2, lọc bậc để xử lí Mn * Ưu điểm: E ổn định, dễ rửa bể lọc chức khác * Nhợc điểm: Tốn Phơng pháp khác: Hoá học: sử dụng Clo, O3, KMnO4 để oxi hoá Mn2+ th2nh Mn4+ + Clo: pH = 7, t = 60 R 90 + Cl2: pH = 6,5 R 7, t = 10 R 15 phút Để oxi hoá lợng Mn2+ cần 1,35 mg Cl2 Nếu nớc cã amon: Cl2 + NH4+ → Cloamin + KMnO4 oxi hoá Mn2+ th2nh Mn4+ tồn dạng kể keo hữu Sinh học: sử dụng vật liệu đk đợc cấy bề mặt loại vi khuẩn ăn Mn, xác vi khuẩn chết tạo bề mặt hạt vật liệu lọc m2ng MnO có tác dụng xúc tác PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, Trờng ĐHXD 11 B i giảng: Trạm xử lý n−íc Khư mangan Khư M b»ng l m tho¸ng v läc Khư CO2 n−íc b»ng th¸p khư khÝ chân không, sau nâng pH lên R 8,5 (không cần giai đoạn n2y pH cao) R Bko ho2 dung dịch oxi không khí phun ma råi l¾ng tiÕp xóc R Läc qua bĨ läc nhanh Mn(OH)2 + O2 → Mn2O3 + H2O Mn2O3 + 1/2O2 + 4H2O 2Mn(OH)4 R Sử dụng phơng pháp n2y độ oxi hoá nớc nguồn [O2] 9,5mg/l (khử đợc Mn, Fe v2 CO2 v2 khí khác) R Sử dụng đợc nớc nguồn có chứa Fe2+, oxi hoá DO (oxi ho2 tan) tạo Fe(OH)3 kÕt tđa th2nh m2ng xung quanh h¹t vËt liƯu läc, hấp phụ Mn2+ bề mặt v2 l2 chất xúc tác cho trình oxi hoá Mn R Quá trình x¶y tèt pH < 8,5 v2 ORP (Eh) < 0,4V Khö mangan Khö M b»ng KMnO4 R Tạo MnO2 không tan v2 có diện tích bề mặt tiÕp xóc lín l¹i l2 chÊt hÊp phơ tèt (300m2/g) 3Mn2+ + MnO42R + 2H2O → 5MnO2 + 4H+ R Mặt khác MnO2 lại l2 chất xúc tác cho trình oxi hoá Mn2+ O2 không khí R Nớc chứa nhiều hợp chất hữu cơ, Fe2+ v2 Mn2+ tạo với chúng hợp chất bền vững, khó bị oxi hoá Clo hay phần keo tụ KMnO4 với tính oxi hoá mạnh có khả l2m phá vỡ hợp chất n2y Sau xử lí tiÕp b»ng oxi ho¸ v2 keo tơ råi läc KMnO4 xử lí đợc nớc mặt v nớc ngầm R DKMnO4 = 2,06[Mn2+], mg/l (dïng dung dÞch KMnO43%), trén ë nhiệt độ 50R600C R Cần 1,8 mg KMnO4 để khử 1mg Mn2+ R Mặt khác với pH = R 11, keo Mn(OH)4 có điện tích trái dấu với keo Al(OH)3 v2 Fe(OH)3 l2m tăng E trình keo tơ nhê KMnO4 → VËy: cho phÌn hc Fbcculant v2o cïng víi KMnO4 → läc tiÕp xóc cho E rÊt cao Dïng KMnO4 tèt kÕt hỵp xư lÝ Mn với mùi vị công nghệ thực phẩm PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, Trờng ĐHXD 12 B i giảng: Trạm xử lý nớc Khử mangan Khử M lọc qua vật liệu lọc đăc biệt (vL xúc tác) * Bản chất: R Trao đổi ion Mn2+ v2 H+ bề mặt lớp vật liệu lọc cã phđ MnO2 R N−íc l2m tho¸ng, läc qua vËt liệu lọc để đợc bao phủ lớp MnO2 tạo mét líp m2ng bao quanh h¹t vËt liƯu läc: võa hấp phụ vừa xúc tác * Nhợc điểm: m2ng hạt vật liệu lọc bị b2o mòn dần v2 n−íc rưa mÊt rưa läc (do v rưa cỈn phải lớn) * Khắc phục: R Phải xử lí sau khư s¾t: sư dơng bĨ läc líp hay bậc lọc: lớp giữ Fe, lớp dới giữ Mn, dïng bĨ läc hai líp khi: + 5[Mn2+] + [Fe2+] ≤ 5mg/l + Q < 50 R 100 m2/h + Tèt nhÊt pH = 6,5 R 7,5 Khử mangan R Vật liệu lọc sản xuất cách cho dung dịch FeSO4 v2 KMnO4 chảy qua lớp vật liệu lọc cát thạch anh (tiết kiệm đợc KMnO4) từ dới lên R Để giữ lớp m2ng Fe(OH)3 v2 MnO2 xung quanh hạt vật liệu lọc cần xử lí vật liệu lọc hỗn hợp Na3PO4 hay Na2SO3: lọc xuôi (ho2n nguyên khối vật liệu lọc dung dịch KMnO4): + vlọc xuôi = R 10m/h; + d = 1,2 R 1,3mm (0,5 R 2); + H = 1,2 R 1,5m; + T läc = R 14 ng2y đêm PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, Trờng ĐHXD 13 B i giảng: Trạm xử lý n−íc Khư mangan Khư M b»ng chÊt oxi hoá mạnh lắng lọc cát thạch anh R Clo: pH = R 8,5 nên phải kiềm hoá R Để oxi hoá 1mg Mn2+ th2nh Mn4+ cần 1,3 mg Cl2 + pH = 7, t = 60 R 90min, E oxi ho¸ Mn2+ b»ng Clo =50% + pH = v2 kh«ng cã NH4+, t = 60 R 90min, E = 100% R Oxi hoá 1mg Mn2+ cần 1,45 mg O3 hay 1,35 mg Clo2 + pH = 6,5 R 7, t = 10 R 15min, E = 100% + DClo = 1,3[Mn2+] nÕu kh«ng cã NH4+ + DClo= 1,3[Mn2+] + (5 R 10)[NH4+] nÕu cã NH4+ R Thêm DClo để oxi hoá chất hữu nớc nÕu cã R NÕu pH < 7, ph¶i cã bĨ lắng sau Clo, vôi, tlắng = 60 + DClo2 = 1,35[Mn2+], mg/l + DO3 = 1,45[Mn2+], mg/l Khö mangan Khư M 2+ v F 2+ b»ng trao ®ỉi ion (Natri cationit v Kali cationit) R Läc qua vËt liệu lọc cationit trình l2m mềm nớc, sử dơng kÕt hỵp l2m mỊm v2 khư Fe, Mn Phơng pháp sinh hoá R Cấy vi khuẩn ăn Mn lên hạt vật liệu lọc bể lọc cho n−íc ®i qua bĨ läc Vi khn hÊp thơ Mn: trình sống chết tạo khối xốp chứa nhiều MnO2 bề mặt hạt vật liệu lọc l2 chÊt xóc t¸c cho oxi ho¸ Mn2+ v = 22m/h đợc Elọc = 100%[Mn] R Sử dụng biophin: + [Fe] ≤ 9mg/l + [Mn] ≤ 0,5mg/l PGS TS NguyÔn Việt Anh, Bộ môn CTN, Trờng ĐHXD 14 B i giảng: Trạm xử lý nớc Khử mangan R Sử dụng bËc biophin: + BËc 1: khư Fe: líp vật liệu lọc cát thạch anh I: d =1,5 R 2,5mm, H = 1,05m II: d = R 2mm, H = 0,8m + BËc 2: khö Mn: vËt liƯu läc c¸t, d = 1,5 R 2,5mm, H = 1,4m v = 16 R 28m/h: CtFe = 0,1 R 0,2mg/l, CtMn = 0,02 R 0,05mg/l Chu k× läc T = 40 R 100h Để tăng E Biophin cần cấp O2 Khuyến nghị: Đối với khử Mn nớc ngầm nên dùng phơng pháp: Hấp phụ Fe(OH)3; Lọc qua vật liệu lọc đặc biệt v2 phơng pháp sinh hoá Vôi/xô đa + phèn, lắng, lọc R Sư dơng kÕt hỵp l2m mỊm n−íc phÌn sư dụng phèn sunphat sắt (Dvôi cho đạt pH = 9,2 R 9,5) R ë pH = R 9,5 oxi hoá nhanh chóng Mn oxi không khí tạo cặn Mn(OH)3 v2 Mn(OH)4 lại l2 chất xúc tác cho trình oxi hoá Mn2+ PGS TS Nguyễn Việt Anh, Bộ môn CTN, Trờng ĐHXD 15 ... (b»ng O2, KMnO4 , Cl2, O3), chun Mn2 + th nh Mn3 +, Mn4 + ë d¹ng Mn( OH)3 v Mn( OH)4 không tan, (đôi dạng Mn6 +) Tách khỏi nớc phơng pháp lọc Mn( OH)2 + O2 Mn2 O3 + H2O Mn2 O3 +0,5 O2 + H2O → Mn( OH)4 (Phải... thuỷ phân Mn tăng R Xét ORP trình khử Mn: EMn + / Mn + = 1,23 − 0.12 pH − 0,03 lg aMn + Trong đó: + aMn2+ : l2 hoạt độ cđa ion Mn2 + n−íc a Mn2 += fMn2+.CMn2+ + f : hệ số hoạt độ (trong nớc fMn2+ =... sắt: Quặng sắt đỏ (Gematit) Fe2 O3 , Mactit Fe3 O4, Quặng sắt nâu Fe( OH)2, FeCO3 * Nớc ngầm: Sắt tồn dới dạng ion Fe2 + muối Fe( HCO3)2 (khi oxi), ngo2i cßn cã FeS, FeSO4, FeCl2 * Nớc mặt: Trong nớc