1.1.1 Nguyên lý cơ bản của phương pháp làm thoáng và các cách làm thoáng Nguyên lý của phương pháp làm thoáng để loaị bỏ sắt và mangan ra khỏi nước bằng cách làm giàu oxi, tạo điều kiện để oxi hóa Fe[II] thành Fe[III] rồi phân hủy tạo thành hợp chất ít tan sắt hidroxyt Fe[OH]3 và Mn[IV] kết tủa. Quá trình oxi hóa diễn ra như sau: Trong quá trình làm thoáng nước, oxi được đưa vào oxi hóa 1 số hợp chất hữu cơ, đẩy CO2 ra, làm cho pH của nước tăng đẩy nhanh quá trình oxi hóa và thủy 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 oxi hòa tan, sắt [II] hyđroxyt sẽ bị oxy hóa 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 hóa sắt như sau :
4Fe2+ + 8HCO3– + O2 + 2H2O = 4Fe[OH]3 + 8CO2
– 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+ + 4 HCO3–
1.1.2 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 nhỏ 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.
1.1.3 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 oxy hòa tan trong nước sau khi làm thoáng ở nhiệt độ 250oC lấy bằng 40% lượng oxy hòa tan bão hòa [ở 250oC lượng oxy bão hòa bằng 8,1 mg/l].
1.1.4 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 oxy hòa tan sau làm thoáng bằng 55% lượng oxy hòa tan bão hòa.
1.1.5 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 6m3 cho 1m3 nước. Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng bằng 70% hàm lượng oxy hòa tan bão hòa. Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 75%.
1.2 Khử sắt và mangan bằng hoá chất
So với các phương pháp khử sắt và mangan bằng làm thoáng ta thấy, dùng chất oxy hóa mạnh, Phản ứng xảy ra nhanh hơn. Tuy nhiên trong nước có tồn tại các chất H2S, NH3 thì chúng sẽ gây ảnh hưởng tới quá trình khử do xảy ra phản ứng:
2H2S + O2 = 2S + 2H2O
Khi trong nguồn có hàm lượng chất hữu cơ cao, các chất hữu sẽ tạo ra dạng keo bảo vệ các ion sắt, như vậy muốn khử sắt phải phá vỡ được màng hữu cơ bảo vệ bằng tác dụng của chất oxi hóa mạnh. Đối với nước ngầm, khi hàm lượng sắt và mangan quá cao đồng thời tồn tại cả H2S thì lượng oxy thu được nhờ làm thoáng không đủ để oxy hóa hết mangan và sắt, trong trường hợp này cần phải dùng đến hóa chất.
1.2.1 Khử sắt và mangan bằng Clo
Quá trình khử sắt bằng clo được thực hiện bởi phản ứng:
2Fe2+ + Cl2 + 6H2O -> 2Fe[OH]3 + 6H+ + 2Cl–
1.2.2 Khử sắt và mangan bằng Kali Permanganat [KMnO4]
Khi dùng KMnO4 để khử sắt, quá trình này xảy ra rất nhanh vì cặn mangan [IV] hydroxyt vừa 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 + MnO4
3Mn2+ + 2MnO4– + 4OH– -> 5MnO2 + 2H2O
1.2.3 Biện pháp khử sắt bằng H2O2
2Fe2+ + H2O2 + 4OH– -> 2Fe[OH]3
1.2.4 Biện pháp khử sắt và mangan bằng vôi
Khi cho vào trong nước độ pH 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 thành sắt [III]. Sắt [III] hydroxyt dễ dàng kết tủa thành bông cặn, lắng trong bể lắng và có thể dễ dàng tách ra khỏi nước. Phương pháp này có thể áp dụng cho cả nước mặt lẫn nước ngầm.
Nhược điểm: của phương pháp này là phải dùng các thiết bị pha chế cồng kềnh, quả lý phức tạp, cho nên thường kết hợp khử sắt với quá trình xử lí khác như xử lí ổn định nước bằng kiềm, làm mềm nước bằng vôi kết hợp với soda.
1.3 Khử sắt và mangan bằng phương hóa lí
1.3.1 Trao đổi cation
Nguyên tắc: Cho lớp nước chứa sắt lọc qua lớp 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.
Ví dụ: khi trong nước có sắt, đi qua lớp vật liệu lọc Kationit Na hoặc H sẽ xảy ra quá trình:
2[K]-Na + Fe[HCO3]2 -> [K2]-Fe + 2NaHCO3
2[K]-Na + FeCl2 -> [K2]- Fe + 2NaCl
2[K]-Na +FeSO4 -> [K2]-Fe + Na2SO4
Các ion Fe2+ thay thế Na+ được giữ lại-> xuất hiện một lượng ion dương khác bằng lượng in Fe2+.
Sau một thời gian làm việc cần phục hồi khả năng lọc của các cationit bằng cách:
NaCl [cho Na-Kationit]:
[K2]-Fe + 2NaCl -> 2[K]-Na + FeCl2HCl, H2SO4 [cho H-kationit]:
[K2]-Fe + HCl -> 2[K]-H + FeCl2Đặc điểm:
Thường được sử dụng khi kết hợp với quá trình khử cứng. Khi sử dụng thiết bị trao đổi ion để khử sắt, nước ngầm không được tiếp xúc với không khí vì Fe3+ sẽ làm giảm khả năng trao đổi của các ion.
Phương pháp này đem lại hiệu quả khử sắt cao, thường sử dụng cho nguồn nước có chứa Fe2+ ở dạng hòa tan và hàm lượng sắt thấp. Tuy nhiên, chi phí khá đắt, nguyên vật liệu phải nhập.
1.3.2 Điện phân
– Dùng cực âm bằng sắt, nhôm. Cực dương bằng đồng, bạch kim hay mạ kiềm.
– Quá trình xảy ra
– Dung dịch FeCl2: Điện cực bằng đồng
| Catot [-] | Anot [+] |
| Fe2+ + 2e– -> Fe | Cu -2e– -> Cu2+ 2Cl– – 2e– -> Cl |
1.4 Dùng vi sinh vật
Từ thực tế quan sát thấy xuất hiện một số loài vi khuẩn sắt trong các công trình khử sắt như bể lọc dù bể lọc được rửa thường xuyên. Một số loài vi sinh vật có khả năng oxy hóa sắt trong điều kiện mà quá trình oxi hóa hóa học xảy ra khó khăn. Các loài vi sinh vật này xúc tiến cho quá trình oxi hóa và kết tủa nhanh Fe/Mn trong các lớp vật liệu lọc- tương đương việc sử dụng chất xúc tác hay chất oxi hóa/keo tụ bằng hóa học. Lợi dụng đặc điểm đó, chúng ta có thể cấy các mầm khuẩn sắt trong các lớp cấy lọc của bể lọc, thông qua hoạt động của các vi khuẩn, sắt được loại ra khỏi nước. Thường sử dụng các thiết bị chận để khử sắt.Tương tự như đối với mangan, cấy một loại vi sinh vật có khả năng hấp thụ mangan trong quá trình sinh trưởng lên bề mặt lớp vật liệu lọc. Xác của các vi sinh vật sẽ tạo thành lớp màng oxit mangan trên bề mặt hạt vật liệu lọc. Lớp màng này có tác dụng xúc tác quá trình khử mangan.
v Các nhóm vi sinh vật oxy hóa sắt và mangan:
1.4.1 Nhóm ưa chua, oxi hóa sắt hiếu khí
Vi khuẩn oxi hóa sắt ưa chua là loài được nghiên cứu đầu tiên kể từ khi phát hiện ra vi khuẩn Thiobacillus ferrooxidans.Sinh trưởng trong môi trường có độ pH thấp [1-3] Đa số thuộc lớp Gammaproteobacteria. Chúng có tầm quan trọng trong công nghệ sinh học và ô nhiễm môi trường.
1.4.2 Nhóm môi trường trung tính, oxi hóa sắt hiếu khí
Nhóm này cũng bao gồm một trong các vi khuẩn đầu tiên mô tả [Gallionella], nhưng chúng chỉ được phân lập và đặc trưng chỉ tương đối gần đây.
Môi trường sống: + Nước biển: thường pH 8,3 đến 8,4
+ Nước ngọt: được phân lập từ các thảm sắt trong khu vực tàu ngầm năng lượng địa nhiệt.Đa số thuộc lớp betaproteobacteria.
1.4.3 Nhóm môi trường trung tính, oxi hóa sắt kỵ khí
Thiobacillus denitrificans là một betaproteobacterium tự dưỡng nghiêm ngặt oxy hóa FeS trong sự hiện diện của nitrat. Một số vi khuẩn được phân lập:Geobacter metallireducens thuộc lớp Deltaproteobacterium phổ biến rộng rãi trong trầm tích kỵ khí.
1.4.4 Quang oxi hóa sắt kỵ khí
Vi khuẩn điển hình: Rhodobacter capsulatus [Bacteria; Proteobacteria; Alphaproteobacteria; Rhodobacterales; Rhodobacteraceae; Rhodobacter] Nhóm vi khuẩn này sử dụng Fe+ để khử CO2.
4Fe2+ +CO2 +11H2O +hν → CH2O +4Fe[OH]3 +8H+
Vi khuẩn quang oxi hóa sắt chỉ có pha quang hợp I, và do đó không phát triển oxy, do đó những vi khuẩn này có thể thúc đẩy quá trình oxy hóa sắt trong sự vắng mặt của oxi và thay thế một electron bị oxy hóa [chẳng hạn như nitrat]
1.4.5 Thiobacillus ferrooxidans và quá trình oxi hóa sắt
2Fe2+ + 2H+ + ½O2 à2Fe3+ + H2O
2Fe3+ + 6H2O à 2Fe[OH]3 + 6H+
2Fe2+ + 5H2O + ½O2 à 2Fe[OH]3 + 4H+
Quá trình oxy hóa pyrit:
FeS2 + H2O + 3½O2 +Fe2+ + 2SO4 + 2H+
Quá trình phân giải
=> Sự oxi hóa hiếu khí từ Fe2+ à Fe3+ để tạo năng lượng cho chúng nhưng năng lượng tạo ra ít.
1.5. Phương pháp sử dụng vật liệu lọc
Các vật liệu đặc biệt có khả năng xúc tác, đẩy nhanh quá trình oxy hóa khử Fe2+ thành Fe3+, Mn2+ thành Mn4+ và giữ lại trong tầng lọc. Quá trình diễn ra rất nhanh chóng và có hiệu quả cao.
Chúng hoạt động như một chất oxi hóa bề mặt dùng để kết tủa sắt, mangan, hydrogen sulfide. Các chất này bị oxi hóa và tạo thành chất bẩn kết tủa bám vào về mặt các hạt lọc và sẽ được thải ra ngoài bằng cơ chế rửa ngược.
1.5.1 Cát đen
Trường hợp dùng xúc tác MnO2 đầu tiên, khi Mn2+ hấp phụ trên MnO2 và bị MnO2 oxi hóa thành Mn3+ dưới dạng Mn2O3.
2Mn2+ + 2MnO2 + 4OH– = 2Mn2O3 + 2H2O
Bước tiếp theo Mn2O3 không bện rất dễ bị oxi không khí oxi hóa thành MnO2 quay lại tiếp tục phản ứng :
2Mn2O3 + O2 = 4MnO2
Ưu điểm
– Không cần sử dụng hóa chất và các thiết bị đi kèm như bình pha hóa chất, bơm định lượng,
– Không cần tái sinh định kỳ bằng dung dịch Permanganate như Manganese green sand.
– Vận hành đơn giản.
– Giá thấp hơn nhiều so với các vật liệu nhập ngoại như Pyrolox, Birm hay Manganese green sand.
– Có thể đưa vào các bể lọc đang sửng dụng mà không cần thay đổi cấu trúc bể.
Phạm vi ứng dụng
– pH nước đầu vào ≥ 7,0 thế oxy hóa khử > 700mV [ đối với yêu cầu khử mangan ]
– Fe < 30mg/l , Mn < 5mg/l.
– Vận tốc lọc : 5-12 m/giờ. Có thể sử dụng trong các bể lọc hở hoặc lọc áp lực.
Hướng lọc : từ trên xuống.
– Nếu nguồn nước có độ pH thấp, có thể sử dụng hóa chất để nâng pH nước nguồn trước khi cho qua lớp vật liệu xúc tác. Phía dưới nên bố trí them một lớp cát thạch anh để giữ oxy sắt và mangan, tạo độ trong cho nước.
– Độ dày lớp vật liệu được điều chỉnh theo hàm lượng sắt và mangan có trong nước nguồn nhưng không được nhỏ hơn 300 mm.
– Rửa lọc : khi sử dụng kết hợp với các vật liệu lọc khác có thể tiến hành rửa lọc như trường hợp bể lọc cát thông thường.
1.5.2 Cát xanh mangan khử sắt và mangan [MANGANESE GREENSAND]
Mô tả sản phẩm – Được làm từ cát xanh glauconite, có hoạt tính cao, dùng để khử sắt, mangan và sulfide trong nước nhờ vào quá trình oxy hóa, kết tủa và khả năng lọc của tầng hạt.
Sau chu kỳ hoạt động [khoảng 2 năm tùy theo nước nguồn ] cát xanh mangan bão hòa sẽ được tái sinh bằng dung dịch thuốc tím [KMnO4] loãng.
– Oxy hóa được sulfide nên hạn chế tối đa ảnh hưởng của sulfide lên quá trình khử sắt và mangan.Không bị ảnh hưởng bởi chlorine trong nước cấp. Tuổi thọ cao nhờ vào khả năng chống mài mòn lớn.
Ưu điểm:
– Không cần sử dụng hóa chất và các thiết bị đi kèm như: bình pha hoá chất, bơm định lượng.
– Không cần tái sinh định kỳ bằng dung dịch Permanganate như Manganese green sand.
– Vận hành đơn giản.
– Giá thấp hơn nhiều so với các loại vật liệu nhập ngoại như hạt Pyrolox, Birm hay Manganese green sand.
– Có thể đưa vào các bể lọc đang sử dụng mà không cần thay đổi cấu trúc bể.
Phạm vi ứng dụng
– pH nước đầu vào ≥ 7,0, thế oxy hóa khử > 700mV [đối với yêu cầu khử mangan].– Vận tốc lọc: 5-12 m/giờ. Có thể sử dụng trong các bể lọc hở hoặc lọc áp lực.
Lưu ý
– Phải sử dụng thuốc tím [ KMnO4 ] rửa vật liệu trước khi hoạt động.
– 1 lít vật liệu có thể vận hành 38.000 lít nước có nhiễm sắt.
– 1 lít vật liệu có thể vận hành được 25.000 lít nước nhiễm sắt và mangan.
1.5.3 Cát thạch anh và sỏi đỡ
Tác dụng
– Cát thạch anh được sử dụng để lọc các thành phần lơ lững có kích hạt nhỏ không có khả năng kết tủa khi để lắng tự nhiên. Trong quá trình lọc, trên bề mặt cát thạch anh sẽ tạo ra lớp màn lọc hỗ trợ cho quá trình lọc, đặc biệt khi hydroxit sắt [III] kết tủa trên bề mặt cát thạch anh sẽ giúp hấp thụ Asen khi nguồn nước có nguy cơ bị nhiễm Asen. Cát thạch anh là tác nhân rất tốt trong việc giữ các kết tủa dạng bông có độ nhớt cao rất khó tách và khó lọc.
Ưu điểm
– Sử dụng cát thạch anh có nhiều ưu điểm : không tham gia phản ứng với các tác nhân hóa học có trong nước và không làm ảnh hưởng đến chất lượng nước. Cát thạch anh có thể sử dụng lâu dài, có thể rửa lọc thường xuyên khi bề mặt lọc lắng cặn thành những lớp dày. Cát thạch anh có kích thướt hạt nhỏ, nên có bề mặt riêng lớn nên hiệu quả lọc cao.
Phạm vi ứng dụng
– pH nước đầu vào ≥ 7,0, thế oxy hóa khử > 700mV [đối với yêu cầu khử mangan].
– Fe < 30 mg/l; Mn < 5mg/l.
– Vận tốc lọc: 5-12 m/giờ. Có thể sử dụng trong các bể lọc hở hoặc lọc áp lực.
– Hướng lọc: từ trên xuống.
– Hạt MS không cần tái sinh. Sau một thời gian sử dụng khoảng 2 năm [tùy theo chất lượng nước nguồn] cần thay thế hoặc hoạt hóa bằng dung dịch KMnO4.
Khuyến cáo sử dụng:
– Nếu nguồn nước có độ pH thấp, có thể sử dụng hạt LS hoặc hóa chất để nâng pH nước nguồn trước khi cho qua lớp vật liệu xúc tác MS.
Phía dưới lớp MS nên bố trí thêm một lớp cát thạch anh để giữ oxyt sắt và mangan, tạo độ trong cho nước.
– Độ dày lớp MS được điều chỉnh theo hàm lượng sắt và mangan có trong nước nguồn nhưng không được nhỏ hơn 300 mm.
– Rửa lọc: khi sử dụng kết hợp với các vật liệu lọc khác có thể tiến hành rửa lọc như trường hợp bể lọc cát thông thường.
– Rửa sạch hạt MS trước khi sử dụng
1.5.4 Than hoạt tính
Tác dụng
– Than hoạt tính là vật liệu vô cơ có khả năng hấp thu rất tốt các hợp chất màu, mùi làm cho nước sau khi lọc trong hơn và không có mùi lạ. Ngoài ra than hoạt tính còn có khả năng hấp thu các hợp chất hữu cơ như dung dịch thuốc bảo vệ thực vật, các thành phần hữu cơ từ động thực vật phân hủy. Tóm lại than hoạt tính hấp thu rất nhiều hợp chất độc hại đến sức khỏe con người, nên than hoạt tính được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong xử lý nước sinh hoạt.
Ưu điểm
– Than hoạt tính là vật liệu hấp thu đa năng, không làm thay đổi các tính chất hóa lý của nước, là vật liệu lọc được bán rộng rãi ở thị trường, có giá thành hợp lý và đã sản xuất được trong nước. Sau một thời gian sử dụng có thể tái chế để sử dụng lại, không gây ô nhiễm môi trường.
– Than hoạt tính sử dụng trong lọc nước thường có 3 loại phổ biến:
+ Than hoạt tính dang bột [Powdered Activated Carbon – PAC]: Thường được sử dụng để lọc mùi, lọc một số chất màu và cả chất béo hòa tan trong nước. Tuy nhiên do tính chất dễ bị rửa trôi và không ổn định, nên than hoạt tính dạng bột chủ yếu được sử dụng dưới dạng bổ trợ ở các hệ thống lọc nước công nghiệp lớn.
+ Than hoạt tính dạng hạt [Granular Activated Carbon – GAC]: được cấu thành từ những hạt than nhỏ và bền hơn dạng bột, GAC được sử dụng rộng rãi trong hệ thống lọc nước máy hay xử lý nước gia đình. Than hoạt tính dạng bột có thể lọc mùi, xử lý nước nhiễm bẩn… nhưng hiệu quả lọc phụ thuộc khá nhiều vào tốc độ dòng nước, nếu tốc độ dòng nước quá lớn mà không có cách hãm thì hiệu quả sẽ không cao.
+ Than hoạt tính dạng khối [Solid Block Activated Carbon – SBAC]: Là cấu trúc than tốt nhất và lọc nước hiệu quả nhất đang sử dụng rộng rãi hiện nay. Khi dòng nước chảy qua khối than hoạt tính vững chắc, các tạp chất bẩn sẽ bị giữ lại và dòng nước đi qua sạch sẽ. Khối than hoạt tính cũng bảo đảm được sự rắn chắc, độ bền sử dụng cao và tăng hiệu suất của toàn bộ hệ thống lọc.
2 cơ chế lọc nước cơ bản của than hoạt tính:
– Lọc cơ học vật lý: Giúp loại bỏ các hạt, tạp chất bẩn trong nước khi đi qua lõi lọc nhờ các lỗ nhỏ li ti trong cấu trúc than.
– Lọc hút bám: Bề mặt phân tử than sẽ thu hút các chất hóa học, tạp chất hòa tan trong nước và giữ chúng nằm lại bên trong lõi lọc. Với đặc tính “không hút nước” nhưng “hấp thụ dầu mỡ”, than hoạt tính có tác dụng mạnh với rất nhiều loại hóa chất chứa Clo, Benzen hay các hóa chất công nghiệp hòa tan trong nước.
5 yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu quả lọc của than hoạt tính:
Cấu trúc vật lý của lõi lọc, ví dụ: kích thước phân tử than, diện tích tiếp xúc bề mặt với tạp chất…
– Tính chất của nguồn nước cần lọc.
– Thành phần hóa học của các tạp chất trong nước.
– Nhiệt độ và độ pH của nước lọc.
– Thời gian tiếp xúc giữa than lọc với nước trong đó tốc độ dòng nước là yếu tố rất quan trọng.