- Các phức chất hữu cơ của ion sắt với acid humic, fulvic,…
- Các ion sắt hòa tan Fe(OH)+, Fe(OH)3- tồn tại tùy thuộc vào giá trị điện thế oxy hóa khử và pH của môi trƣờng.
Các loại phức chất và hỗn hợp các ion hòa tan của sắt, không thể khử bằng phƣơng pháp lý học thông thƣờng mà phải kết hợp với phƣơng pháp hóa học. Muốn khử sắt các dạng này phải cho thêm vào nƣớc các chất oxy hóa nhƣ Cl2, KMnO4, O3 để phá vỡ liên kết và oxy hóa ion sắt thành ion sắt hóa trị III hoặc cho vào nƣớc các chất keo tụ FeCl3, Al2(SO4)3 và kiềm hóa để có giá trị pH thích hợp cho quá trình đồng keo tụ các loại keo sắt và phèn xảy ra triệt để trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và bể lọc trong. [6]
1.2.2. Ảnh hƣởng của nƣớc nhiễm sắt
Sắt chiếm ít nhất 5% của vỏ trái đất và là một trong những nguồn tài nguyên phong phú của trái đất [18]. Tuy nhiên, sắt lại là một thành phần không mong muốn trong các nguồn cung cấp nƣớc. Nƣớc mƣa khi ngấm vào lòng đất và các tầng địa chất sẽ hòa tan sắt, từ đó sẽ ngấm vào các nguồn nƣớc ngầm, cũng chính là nguồn nƣớc giếng mà hiện tại ngƣời dân đang sử dụng rỗng rãi. Sắt trong nƣớc có các ảnh hƣởng sau:
- Đối với sức khỏe: sắt cơ bản không ảnh hƣởng tới sức khỏe ở nồng độ thấp, thậm chí nó còn là một yếu tố cần thiết cho sức khỏe, giúp vận chuyển oxy trong máu. Nhƣng nó đƣợc coi nhƣ chất gây ô nhiễm thứ cấp hoặc chất gây mất thẩm mỹ cho nƣớc.
- Đối với vị giác và thực phẩm: sắt hòa tan làm nƣớc có mùi kim loại. Khi sắt kết hợp với trà, cà phê và đồ uống khác, nó làm cho các loại đồ uống này có màu đen và vị rất khó chịu. Nếu các loại rau xanh đƣợc chế biến bằng nƣớc nhiễm sắt sẽ làm mất đi màu sắc hấp dẫn vốn có của nó. [18]
- Tạo ra các vết bẩn, lắng cặn:chỉ cần một nồng độ sắt thấp khoảng 0,3 mg/L trong nƣớc sẽ để lại các vết bẩn màu nâu đỏ trên quần áo và rất khó tẩy [18]. Mặt khác khi nƣớc này chảy qua các ống nƣớc sẽ lắng cặn lại gây gỉ sét và tắc nghẽn trong đƣờng ống.
1.2.3. Các phƣơng pháp xử lý sắt 1.2.3.1. Phƣơng pháp làm thoáng
Thực chất của làm thoáng là làm giàu oxy cho nƣớc, tạo điều kiện để Fe2+ oxy hóa thành Fe3+, sau đó Fe3+ thực hiện quá trình thủy phân để tạo thành hợp chất không tan Fe(OH)3. Làm thoáng có thể là làm thoáng tự nhiên hoặc làm thoáng nhân tạo. Sau khi làm thoáng, quá trình oxy hóa Fe2+ và thủy phân Fe3+ có thể xảy ra trong môi trƣờng tự do, môi trƣờng hạt hay môi trƣờng xúc tác.
Phản ứng oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ trong môi trường tự do. [4], [15]
Trong nƣớc ngầm, sắt bicacbonat là một muối không bền, nó dễ dàng phân ly theo phản ứng:
Fe(HCO3)2 = Fe2+ + 2HCO3-
Quá trình làm thoáng tạo điều kiện hòa tan oxy vào nƣớc, lúc đó xảy ra quá trình oxy hóa và thủy phân diễn ra nhƣ sau:
4Fe2+ + 10H2O + O2 = 4Fe(OH)3↓+ 8H+ Đồng thời xảy ra phản ứng phụ:
H+ + HCO3- = H2O + CO2
4Fe(OH)3 trong nƣớc kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách khỏi nƣớc một cách dễ dàng nhờ quá trình lắng, lọc. Kết hợp các phản ứng trên ta có đƣợc phản ứng chung của quá trình oxy hóa sắt nhƣ sau:
4Fe2+ + 8HCO3- + 2H2O + O2 4Fe(OH)3↓ + 8CO2
Phản ứng oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ trong môi trường dị thể của lớp vật liệu lọc. [4], [15]
Trƣờng hợp làm thoáng này chỉ để cung cấp oxy cho nƣớc. Khi làm thoáng, Fe2+ đƣợc oxy hóa thành Fe3+ với tỷ lệ nhỏ. Quá trình oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 chủ yếu xảy ra trong lớp vật liệu lọc.
Quá trình làm thoáng nhƣ vậy sẽ tạo ra trên bề mặt các hạt vật liệu lọc một lớp màng. Lớp màng này có cấu tạo từ các hợp chất sắt nhƣ: Fe(OH)2, Fe(OH)3,…
Sau khi lớp màng đƣợc tạo thành sẽ có tác dụng xúc tác làm tăng tốc độ oxy hóa Fe2+, lớp màng này còn có khả năng hấp phụ O2. Khi Fe2+ đến gần bề mặt lớp màng xúc tác, quá trình oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 xảy ra tại đây. Tốc độ oxy hóa Fe2+ ở trên lớp màng lớn hơn rất nhiều so với trong môi trƣờng đồng thể. Nhƣ vậy, trong bể lọc không chỉ xảy ra quá trình lọc các cặn sắt không tan, mà là một quá trình phức tạp. Thời gian để tạo thành lớp màng xúc tác gọi là thời gian luyện vật liệu lọc. Thời gian này lớn hay bé phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ: cỡ hạt, tốc độ lọc, hàm lƣợng cặn.
Tuy nhiên, để việc khử sắt trong môi trƣờng dị thể đem lại hiệu quả cao thì cần đảm bảo các yêu cầu sau: pH > 6,8; hàm lƣợng sắt trong nƣớc nguồn không lớn hơn 15 mg/L; NH4 < 1 mg/L.
Phản ứng oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ khi có màng xúc tác là oxit mangan. [4], [15], [16]
Lớp màng oxit mangan là chất xúc tác làm tăng quá trình oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ ngay cả trong trƣờng gợp pH thấp (pH < 5). Các phản ứng tại lớp màng xảy ra nhƣ sau:
3MnO2 + O2 MnOMn2O7
MnOMn2O7 + 4Fe(HCO3)2 + H2O 3MnO2 + 4Fe(OH)3 + 8CO2
Dƣới tác dụng của lớp màng MnOMn2O7 khi có hợp chất Fe2+ đi qua, MnOMn2O7 sẽ làm chất xúc tác làm tăng hiệu quả phản ứng. MnOMn2O7 đƣợc hình thành liên tục trong cả quá trình lọc nên lớp màng càng dày lên, quá trình phản ứng càng nhanh.
Các phương pháp làm thoáng khử sắt: [9], [10]
- Làm thoáng đơn giản ngay trên bề mặt lớp vật liệu lọc:
Hàm lƣợng CO2 sau làm thoáng giảm rất ít.
Lƣợng O2 hòa tan bằng 40% giá trị bão hòa. - Làm thoáng bằng giàn mƣa tự nhiên:
Hàm lƣợng CO2 sau làm thoáng giảm 50%.
Lƣợng O2 hòa tan bằng 55% giá trị bão hòa. - Làm thoáng cƣỡng bức:
Hàm lƣợng CO2 sau làm thoáng giảm 75%.
Lƣợng O2 hòa tan bằng 70% giá trị bão hòa.
a. Công nghệ khử sắt bằng làm thoáng đơn giản – lọc:
Công nghệ này áp dụng cho nƣớc nguồn có nồng độ Fe2+ ≤ 10mg/L, NH4+ < 1mg/L, H2S ≤ 0,5mg/L, pH sau làm thoáng ≥ 6,8. Hệ thống này khử đƣợc 30 – 35% CO2 trong nƣớc.
Giếng Phun mƣa trên bề mặt lọc Bể lọc nhanh Bể chứa nƣớc sạch Chất khử trùng
Ƣu điểm:
Có thể áp dụng với công suất bất kỳ.
Công trình đơn giản, ổn định.
Chu kỳ lọc dài do tổn thất áp lực với vật liệu lọc tăng chậm. Nhƣợc điểm:
Hiệu quả xử lý không cao.
b. Công nghệ làm thoáng tự nhiên - Lắng tiếp xúc – Lọc:
Công nghệ này áp dụng khi chất lƣợng nƣớc ngầm chứa nồng độ Fe2+ ≤ 25mg/L, độ kiềm ≥ 2 mg/L, nồng độ H2S ≤ 0,2 mg/L, NH4+ < 1 mg/L, độ oxy hóa ≤ 0,15Fe2+, pH sau làm thoáng ≥ 6,8.
Ƣu điểm:
Áp dụng đƣợc cho nguồn nƣớc ô nhiễm sắt khá nặng.
Công trình gọn, dễ vận hành, ổn định. Nhƣợc điểm:
Yêu cầu chất lƣợng nƣớc đầu vào khá nghiêm ngặt.
c. Công nghệ làm thoáng cưỡng bức – Lắng – Lọc nhanh.
Công nghệ này thƣờng áp dụng cho trƣờng hợp nƣớc ngầm có pH thấp, nồng độ Fe2+ < 6 mg/L, Mn2+ < 1 mg/L, CO2 dao động trong khoảng rộng.
Giếng Giếng Giàn mƣa Bể lắng tiếp xúc Bể lọc nhanh Bể chứa nƣớc sạch Chất khử trùng
Hình 1.22. Sơ đồ làm thoáng tự nhiên – lắng tiếp xúc – lọc
Thùng quạt gió Bể lắng Bể lọc Bể chứa nƣớc Chất khử trùng
Ƣu điểm:
Có thể làm giảm 80 – 90% lƣợng CO2 hòa tan, O2 hòa tan tăng bằng 70% lƣợng bão hòa.
Diện tích công trình nhỏ, gọn nhẹ.
Không khí đƣợc cấp bằng quạt gió nên chủ động điều chỉnh đƣợc tốc độ gió.
Nhƣợc điểm:
Chi phí điện cao.
Chỉ xử lý đƣợc nguồn nƣớc có mức ô nhiễm thấp hoặc trung bình.
d. Máy nén khí – Lọc áp lực
Công nghệ này áp dụng trong trƣờng hợp thu oxy và không cần khử CO2 với nƣớc ngầm có pH > 9, Mn2+ < 0,05 mg/L, CO2 < 50 mg/L, Fe2+ < 5 mg/L.
Hình 1.24. Sơ đồ máy nén khí – lọc áp lực
Ƣu điểm:
Ổn định, dễ quản lý, di chuyển và lắp đặt nhanh.
Có khả năng công xƣởng hóa.
Công trình gọn nhẹ, chiếm ít diện tích.
Có khả năng áp dụng cho công suất bất kỳ. Nhƣợc điểm:
Chi phí điện cao.
Hạn chế lƣợng CO2 thoát ra. Máy nén khí Bể lọc áp lực Bể chứa nƣớc Chất khử trùng Giếng
1.2.3.2. Biện pháp khử sắt bằng vôi [6]
Nếu đã khử hết 70 – 80% CO2 mà pH không nâng lên đƣợc 7,0 thì có thể là do pH và độ kiềm của nƣớc nguồn quá thấp. Lúc đó cần kiềm hóa bằng vôi.
Khi cho vôi vào nƣớc, độ pH của nƣớc tăng lên. Ở điều kiện giàu ion OH-, các ion Fe2+ thủy phân nhanh chóng thành Fe(OH)2 và lắng xuống một phần, thế oxy hóa khử tiêu chuẩn của hệ Fe(OH)2/Fe(OH)3 giảm xuống, do đó sắt (II) dễ dàng chuyển hóa thành sắt (III). Sắt (III) hydroxyt kết tủa thành bông cặn, lắng trong bể lắng và có thể dễ dàng tách ra khỏi nƣớc.
Quá trình khử sắt bằng vôi xảy ra theo 2 trƣờng hợp: - Trƣờng hợp nƣớc có oxy hòa tan:
4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 4Fe(OH)3↓ + 4 Ca(HCO3)2 - Trƣờng hợp nƣớc không có oxy hòa tan:
Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 FeCO3 + CaCO3 + H2O
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là phải dùng đến thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp, nên thƣờng kết hợp khử sắt với quá trình xử lý khác nhƣ ổn định nƣớc bằng kiềm, làm mềm nƣớc bằng vôi kết hợp sôđa.
1.2.3.3. Biện pháp khử sắt bằng Clo [9]
Clo (Cl2) là chất oxy hóa mạnh. Khi cho Cl2 vào trong nƣớc có Fe2+, Cl2 có thể thay thế O2 hòa tan trong nƣớc để oxy hóa Fe2+ thành Fe3+.
Quá trình khử sắt bằng Cl2 đƣợc thực hiện nhờ phản ứng sau:
2Fe(HCO3)2 + Cl2 + Ca(HCO3)2 + 6H2O 2Fe(OH)3 + CaCl2 + 6H2CO3 Tốc độ oxy hóa bằng Cl2 tăng nhanh khi giảm nồng độ ion H+, tức là khi tăng giá trị pH của nƣớc. Tuy nhiên, ở giá trị pH ≥ 5, tốc độ oxy hóa của Cl2 vẫn xảy ra nhanh và lớn hơn tốc độ oxy hóa của O2.
Ngoài cách sử dụng Cl2 hay vôi ngƣời ta còn dùng Kali Penmanganat (KMnO4) để khử sắt. Quá trình khử này xảy ra rất nhanh vì cặn mangan (IV) hydroxyt vừa đƣợc tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử. Phản ứng khử xảy ra theo phƣơng trình sau:
1.2.3.4. Khử sắt bằng phƣơng pháp sinh học [2]
Một số loại vi khuẩn có thể oxy hóa bằng phƣơng pháp sinh học. Các vi khuẩn có thể phát triển ngay trong điều kiện mà khử sắt bằng hóa lý không thể thực hiện đƣợc. Khử sắt bằng phƣơng pháp sinh học đƣợc diễn ra ở lớp vật liệu lọc trong các bể lọc. Khác với bể lọc khử sắt bằng hóa lý, lớp vật liệu lọc trong bể lọc sinh học đã đƣợc bao phủ bởi lớp màng vi khuẩn. Lớp màng này càng rắn chắc thì hiệu quả khử sắt càng cao. Thông thƣờng thời gian luyện vật liệu lọc để khử sắt phải kéo dài trong thời gian khoảng 10 ngày. Bể lọc sinh học khử sắt có thể làm việc đƣợc trong điều kiện áp lực hay trọng lực.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là:
- Khả năng giữ cặn sắt tốt của bể lọc sinh học lớn gấp 5 lần so với bể lọc khử sắt thông thƣờng.
- Phƣơng pháp khử sắt sinh học không cần dùng thêm hóa chất.
- Tốc độ lọc cao nhờ độ rắn chắc của lớp màng sinh học bao quanh hạt vật liệu lọc. Tốc độ lọc có thể đạt tối đa 50 – 50 m/h, tức là lớn gấp 5 – 7 lần so với bể lọc nhanh khử sắt thông thƣờng.
- Tiết kiệm nƣớc rửa lọc chỉ bằng 1/5 lần so với bể lọc khử sắt thông thƣờng. Đặc biệt, có thể dùng nƣớc thô để rửa lọc, tuyệt đối không dùng nƣớc đã pha clo khử trùng để rửa vì sẽ làm giảm quần thể si khuẩn khử sắt có trong bể lọc.