Thử nghiệm xử lý nước ngầm bị nhiễm sắt ở xã Ninh Lộc, huyện Ninh Hòa bằng vật liệu lọc hạt nổi và cát thạch anh

Để đóng góp một phần trong việc cải thiện chất lượng nước nơi đây, tôi thực hiện đề tài: “THỬ NGHIỆM XỬ LÝ NƯỚC NGẦM NHIỄM SẮT Ở XÃ NINH LỘC, HUYỆN NINH HÒA BẰNG VẬT LIỆU LỌC HẠT NỔI VÀ

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học trên ghế nhà trường Đại học Nha Trang em đã được

các thầy cô trong trường đặc biệt là các thầy cô trong Viện Công nghệ sinh học và

Môi trường tận tình chỉ dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu Sau 4 năm học tập

đó, em đã tổng hợp những gì mình đã học để hoàn thành nên quyển đồ án tốt nghiệp

này

Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp em đã nhận được nhiều sự quan

tâm và giúp đỡ của các quý thầy, cô Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc

đến quý thầy cô trong Bộ môn Công nghệ kỹ thuật môi trường – Viện Công nghệ

sinh học và Môi trường đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình thực tập và đặc

biệt là KS.Ngô Phương Linh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian

thực hiện để em hoàn thành đồ án này

Em xin cảm ơn Trung tâm thí nghiệm thực hành và tổ nghiên cứu Viện Công

nghệ sinh học và Môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đề tài

này

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè đã luôn động

viên, giúp đỡ trong suốt thời gian học tập cũng như trong suốt quá trình thực hiện

đồ án tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn !

Nha Trang, tháng 06 năm 2013 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Hiến

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC NGẦM 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Đặc điểm của nước ngầm 3

1.1.3 Phân loại nước ngầm 5

1.1.4 Các chỉ tiêu cấp nước 5

1.1.4.1 Chỉ tiêu vật lý 5

1.1.4.2 Chỉ tiêu hóa học 7

1.1.4.3 Chỉ tiêu sinh học 9

1.1.4.4 Chỉ tiêu kim loại nặng 9

1.1.5 Các chỉ tiêu về chất lượng nước 10

1.1.6 Một số phương pháp xử lý nước ngầm 12

1.1.6.1 Làm thoáng 14

1.1.6.2 Clo hóa sơ bộ 15

1.1.6.3 Quá trình khuấy trộn hóa chất 16

1.1.6.4 Keo tụ - tạo bông 16

1.1.6.5 Lắng 18

1.1.6.6 Lọc 19

1.1.6.7 Flo hóa nước 21

1.1.6.8 Ổn định nước 21

1.1.6.9 Làm mềm nước và khử muối trong nước 22

1.1.6.10 Khử trùng nước 23

1.1.7 Một số công nghệ xử lý nước ngầm 25

1.1.7.1 Công nghệ xử lý nước nhiễm sắt cao (25 – 35 mg/l) tại nhà máy Việt Hòa, Thành phố Hải Dương công suất 10.000 m3/ngđ 25

1.1.7.2 Công nghệ xử lý nước ngầm tại Hóc Môn, Thành phố Hồ Chí Minh công suất 65.000 m3/ngđ 26

1.2 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC NHIỄM SẮT 27

1.2.1 Trạng thái tồn tại tự nhiện của sắt trong các nguồn nước 27

1.2.1.1 Các hợp chất vô cơ của ion sắt 27

1.2.1.2 Các phức chất vô cơ của ion sắt với silicat, photphat (FeSiO(OH)3+3) ……… 27

1.2.2 Ảnh hưởng của nước nhiễm sắt 28

1.2.3 Các phương pháp xử lý sắt 28

1.2.3.1 Phương pháp làm thoáng 28

1.2.3.2 Biện pháp khử sắt bằng vôi 33

1.2.3.3 Biện pháp khử sắt bằng Clo 33

1.2.3.4 Khử sắt bằng phương pháp sinh học 34

1.2.3.5 Khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion 34

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt 34

1.3 TỔNG QUAN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 36

1.3.1 Vị trí địa lý 36

1.3.2 Đặc điểm khí hậu 36

1.3.3 Hiện trạng sử dụng nước ở xã Ninh Lộc 36

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 38

2.1.1 Nguồn nước 38

2.1.2 Các loại vật liệu lọc 38

2.1.3 Mô hình thí nghiệm 40

2.2 HÓA CHẤT, THIẾT BỊ, DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 42

2.2.1 Hóa chất sử dụng 42

2.2.2.1 Thiết bị 42

2.2.2.2 Dụng cụ 42

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

2.3.1 Lấy mẫu 44

2.3.2 Tính toán chiều dày lớp vật liệu lọc 44

2.3.3 Tính toán tổn thất áp lực qua lớp vật liệu lọc 46

2.3.4 Cách tiến hành thí nghiệm 47

2.3.4.1 Thí nghiệm 1: Xử lý sắt bằng cách kết hợp VLL hạt nổi và cát thạch anh 47

2.3.4.2 Thí nghiệm 2: Xử lý sắt bằng cách kết hợp VLL hạt nổi có bọc lớp oxit mangan và cát thạch anh 48

2.3.4.3 Thí nghiệm 3: Thí nghiệm xử lý sắt bằng cách kết hợp giàn mưa và cát thạch anh 49

2.3.5 Các phương pháp phân tích 50

2.3.5.1 Đo pH, nhiệt độ 50

2.3.5.2 Đo độ đục 50

2.3.5.3 Đo độ màu 50

2.3.5.4 Phân tích sắt tổng 50

2.3.5.5 Phân tích độ cứng 52

2.3.6 Phương pháp xử lý số liệu 53

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 55

3.1 Kết quả phân tích các chỉ tiêu nước ngầm 55

3.2 Kết quả thí nghiệm xử lý sắt bằng cách kết hợp VLL hạt nổi và cát thạch anh 56

3.3 Kết quả thí nghiệm xử lý sắt bằng hạt nổi bọc oxit mangan kết hợp cát thạch anh 58

3.4 Kết quả thí nghiệm xử lý sắt bằng cách kết hợp giàn mưa và cát thạch anh 61

3.5 So sánh hiệu quả xử lý sắt của 3 thí nghiệm 63

3.6 ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ 65

3.6.1 Lựa chọn công nghệ 65

3.6.3 Thuyết minh quy trình 67

3.7 Tính toán hiệu quả kinh tế - kỹ thuật 67

3.7.1 Tính toán kỹ thuật 67

3.7.2 Tính toán kinh tế 69

KẾT LUẬN 71

KIẾN NGHỊ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 1 75

PHỤ LỤC 2 78

PHỤ LỤC 3 81

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.11 Thành phần các chất gây nhiễm bẩn nguồn nước 4

Bảng 1.12 Bảng quy chuẩn chất lượng nước cấp cho ăn uống 10

Bảng 1.13 Bảng tiêu chuẩn chất lượng nước cấp cho sinh hoạt 11

Bảng 1.14 Yêu cầu chất lượng nước cho quá trình làm nguội 11

Bảng 1.15 Yêu cầu chất lượng nước nồi hơi 12

Bảng 1.16 Bảng tóm tắt các quá trình xử lý nước ngầm 13

Bảng 1.17 Sự khác biệt giữa quá trình lọc nhanh và lọc chậm 21

Bảng 1.18 So sánh các phương pháp khử trùng 24

Bảng 1.2 Sự phụ thuộc của thời gian oxy hóa và thủy phân sắt vào pH 35

Bảng 2.10 Đặc tính kỹ thuật của cát thạch anh 38

Bảng 2.11 Đặc tính kỹ thuật của hạt nổi PS 39

Bảng 2.2 Đặc trưng của lớp vật liệu lọc 44

Bảng 2.3 Bảng giá trị phân vị phân bố Student 54

Bảng 3.1 Kết quả phân tích chất lượng nước ngầm xã Ninh Lộc 55

Bảng 3.2 Tổn thất áp lực qua lớp VLL sạch 58

Bảng 3.3 Tổn thất áp lực qua lớp vật liệu lọc sạch 63

Bảng 4.1 Tiêu chuẩn cấp nước theo đầu người 67

Bảng 4.2 Giá thành chi tiết bể lọc 69

Bảng P3.1 Chất lượng nước ngầm xã Ninh Lộc 75

Bảng P3.2 Chất lượng nước sau lọc của thí nghiệm 1 75

Bảng P3.3 Chất lượng nước sau lọc của thí nghiệm 2 76

Bảng P3.4 Chất lượng nước sau lọc của thí nghiệm 3 76

Bảng P3.5 So sánh hiệu suất xử lý sắt của 3 thí nghiệm 77

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ xử lý nước ngầm nhà máy Việt Hòa – Hải Dương 25

Hình 1.12 Sơ đồ công nghệ xử lý nước ngầm tại Hóc Môn – Tp.Hồ Chí Minh 26

Hình 1.21 Sơ đồ kết hợp làm thoáng đơn giản và lọc 30

Hình 1.22 Sơ đồ làm thoáng tự nhiên – lắng tiếp xúc – lọc 31

Hình 1.23 Sơ đồ làm thoáng cưỡng bức – lắng – lọc nhanh 31

Hình 1.24 Sơ đồ máy nén khí – lọc áp lực 32

Hình 1.32 Vị trí lấy mẫu 36

Hình 1.31 Vị trí xã Ninh Lộc 36

Hình 2.10 Vật liệu lọc cát thạch anh 38

Hình 2.11 Vật liệu lọc hạt nổi PS 39

Hình 2.12 Mô hình giàn mưa 40

Hình 2.13 Mô hình bể lọc 41

Hình 2.14 Mô hình bể chứa 41

Hình 2.20 Giếng lấy mẫu ở xã Ninh Lộc 44

Hình 2.21 Mô hình thí nghiệm 1 47

Hình 2.22 Mô hình thí nghiệm 2 48

Hình 2.23 Quá trình ngâm VLL 48

Hình 2.24 Mô hình thí nghiệm 3 49

Hình 3.21 Hiệu suất khử sắt của thí nghiệm 1 56

Hình 3.22 Sự thay đổi độ màu theo thí nghiệm 1 57

Hình 3.23 Sự thay đổi độ đục theo thí nghiệm 1 57

Hình 3.31 Hiệu suất khử sắt của thí nghiệm 2 59

Hình 3.33 Sự thay đổi độ đục của nước trong thí nghiệm 2 60

Hình 3.32 Sự thay đổi độ màu của nước trong thí nghiệm 2 60

Hình 3.41 Hiệu suất khử sắt trong thí nghiệm 3 61

Hình 3.42 Sự thay đổi độ màu của nước theo thí nghiệm 3 62

Hình 3.43 Sự thay đổi độ đục của nước theo thí nghiệm 3 62

Hình 3.5 Biểu đồ so sánh hiệu suất xử lý sắt của 3 thí nghiệm 63

Hình 4.2 Cấu tạo chi tiết bể lọc 66

Hình 4.1 Sơ đồ công nghệ đề xuất cho hộ gia đình 66

Hình 4.3 Thiết bị lọc nước Toàn Mỹ 70

Hình 4.4 Thiết bị lọc nước Thiên Sơn 70

NTU : Nephelometric Turbility Unit

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước là một loại tài nguyên vô cùng quý giá, là nhu cầu thiết yếu trong đời sống con người và các sinh vật Trong sinh hoạt, nước cấp dùng cho nhu cầu ăn uống, sinh hoạt, tưới tiêu, giải trí Trong các hoạt động công nghiệp nước cấp được dùng cho quá trình làm lạnh, sản xuất thực phẩm như đồ hộp, nước giải khát, bia rượu, Hầu hết mọi ngành công nghiệp đều sử dụng nước cấp như một nguồn nguyên liệu không thể thay thế

Hiện nay, cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội, đời sống của con người ngày càng cao thì nhu cầu sử dụng nước sạch càng mạnh mẽ Thiếu nước sạch nghiêm trọng đang diễn ra trên phạm vi toàn thế giới, khi mà những vấn đề ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu ngày càng nhận được sự quan tâm hàng đầu trên thế giới thì vấn đề này càng trở nên nóng bỏng

Xã Ninh Lộc thuộc huyện Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa, là một xã có trữ lượng nước ngầm khá lớn nhưng lại đang nằm trong tình trạng thiếu nước sạch để phục vụ cho nhu cầu sống hàng ngày Hầu hết nước ngầm ở đây bị nhiễm mặn hoặc nhiễm phèn Điều này ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng cuộc sống của người dân trong xã Để đóng góp một phần trong việc cải thiện chất lượng nước nơi đây, tôi

thực hiện đề tài: “THỬ NGHIỆM XỬ LÝ NƯỚC NGẦM NHIỄM SẮT Ở XÃ NINH LỘC, HUYỆN NINH HÒA BẰNG VẬT LIỆU LỌC HẠT NỔI VÀ CÁT THẠCH ANH”

2 Mục đích nghiên cứu

Tiến hành các thí nghiệm với các vật liệu lọc khác nhau để đánh giá hiệu quả

xử lý sắt của các loại vật liệu lọc đó Cụ thể:

- Thí nghiệm 1: Xử lý sắt bằng cách kết hợp vật liệu lọc hạt nổi PS và cát thạch anh

- Thí nghiệm 2: Xử lý sắt bằng cách kết hợp vật liệu lọc hạt nổi PS có bọc lớp oxit và cát thạch anh

3 Nội dung đề tài

- Khảo sát chất lượng nước ngầm tại Ninh Lộc - Ninh Hòa

- Đánh giá hiệu quả khử sắt của VLL hạt nổi và cát thạch anh

- Đề xuất mô hình xử lý nước ngầm quy mô nhỏ

4 Phạm vi nghiên cứu

Các thí nghiệm được tiến hành trên quy mô phòng thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Môi trường – Viện Công nghệ Sinh học và Môi trường – Trường Đại học Nha Trang với việc tập trung nghiên cứu xử lý nước ngầm bị nhiễm sắt

5 Đối tượng nghiên cứu

Mẫu nước thí nghiệm là nước giếng khơi ở nhà ông Trịnh Dân, thôn Mỹ Lợi,

xã Ninh Lộc, huyện Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC NGẦM

1.1.1 Khái niệm

Trên Trái đất, một lượng lớn nước được trữ trong thạch quyển Nước này được giữ lại hoặc vẫn tiếp tục chuyển động trong các lỗ rỗng hay khe nứt của các tầng đất đá, có thể rất chậm, và nó vẫn là một phần của vòng tuần hoàn nước Phần lớn nước ngầm là do mưa và lượng nước thấm từ lớp đất mặt Tầng đất phía trên là vùng không bão hoà, trong tầng này lượng nước thay đổi theo thời gian, mà không làm bão hoà tầng đất Bên dưới lớp đất này là vùng bão hoà, tất cả các khe nứt, các ống mao dẫn, và các khoảng trống giữa các phân tử đá được lấp đầy nước

Thuật ngữ "nước ngầm" được dùng để mô tả cho khu vực này [4], [8]

Vậy, nước ngầm là một dạng nước dưới đất, được tạo ra bởi mưa hoặc nước sông, ao, hồ, tích trữ trong các lớp đất đá trầm tích bở rời như cặn, sạn, cát bột kết, trong các khe nứt, hang caxtơ dưới bề mặt trái đất, có thể khai thác cho các hoạt động sống của con người

1.1.2 Đặc điểm của nước ngầm

Đặc điểm chung của nước ngầm là khả năng di chuyển nhanh trong các lớp đất xốp, tạo thành dòng chảy ngầm theo địa hình Nước ngầm ít chịu tác động của con người so với nước mặt, do đó nước ngầm thường có chất lượng tốt hơn Thành phần đáng quan tâm trong nước ngầm là sự có mặt của các chất hòa tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, các quá trình phong hóa và sinh hóa trong khu vực Những vùng có nhiều chất bẩn, điều kiện phong hóa tốt và lượng mưa lớn thì nước

ngầm dễ bị ô nhiễm các chất hòa tan và các chất hữu cơ [8]

Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keo hay các hạt lơ lửng, các chỉ tiêu vi sinh cũng tốt hơn so với nước mặt Ngoài ra, nước ngầm không chứa rong, tảo là những nguồn rất dễ gây ô nhiễm nguồn nước

Bảng 1.11 Thành phần các chất gây nhiễm bẩn nguồn nước [9], [10]

Chất khoáng hòa tan Thường thay đổi theo chất

lượng đất, lượng mưa

Ít thay đổi, cao hơn so với nước mặt ở trong cùng một vùng

Fe2+và Mn2+ Rất thấp (trừ dưới đáy hồ) Thường xuyên có

Khí CO2 hòa tan Thường rất thấp hoặc

do sự phân hủy hóa học

Vi sinh vật Vi trùng, virus, các loại

rong tảo

Các vi khuẩn do sắt gây ra thường xuất hiện

Chất lượng nước ngầm phụ thuộc nhiều vào thành phần khoáng hóa và cấu trúc địa tầng mà nước thấm qua Do vậy, nước chảy qua các đại tầng chứa cát và granit thường có tính axit và chứa ít chất khoáng Khi nước ngầm chảy qua địa tầng chứa đá vôi thì nước thường có độ cứng và độ kiềm hydrocacbonat khá cao

Đặc trưng chung về thành phần, tính chất của nước ngầm là nước có độ đục thấp, nhiệt độ và thành phần hóa học tương đối ổn định Các lớp nước trong môi trường khép kín là chủ yếu, thành phần nước có thể thay đổi đột ngột với sự thay đổi độ đục và ô nhiễm khác nhau Những thay đổi này liên quan đến sự thay đổi lưu

lượng của lớp nước sinh ra do nước mưa Ngoài ra, một tính chất nữa của nước

ngầm là không có mặt của vi sinh vật, vi khuẩn gây bệnh [10]

1.1.3 Phân loại nước ngầm [2]

Phân loại theo vị trí tồn tại so với mặt đất:

- Nước ngầm mạch nông: nằm ngay trong tầng đất trên mặt Thường có độ sâu

từ 3 – 10 m, không có áp Lưu lượng, nhiệt độ và các tính chất khác của nó chịu ảnh hưởng nhiều của môi trường bên ngoài Dao động mực nước giữa các mùa khá lớn (2 – 4 m), trữ lượng ít và độ nhiễm bẩn lớn

- Nước ngầm ở độ sâu trung bình: nằm ở độ sâu không lớn so với mặt đất, có ở

độ sâu 10 – 20 m, thường là nước ngầm không có áp, đôi khi có áp cục bộ Tính chất của loại này tương tự như nước ngầm mạch nông nhưng có chất lượng tốt hơn, thường được sử dụng để cấp nước

- Nước ngầm mạch sâu: nằm ở độ sâu lớn hơn 20 m ở trong các tầng chứa nước, chất lượng nước rất tốt và có trữ lượng phong phú, thường được sử dụng rộng rãi

Phân loại theo áp lực:

- Nước ngầm không có áp: độ sâu cạn, ở trên mặt tự do thì áp suất như nhau Loại này trữ lượng ít, chất lượng nước chịu ảnh hưởng của thiên nhiên và hay bị nhiễm bẩn

- Nước ngầm có áp: là lớp nước nằm giữa hai tầng cản nước, thường nằm ở độ sâu lớn nên đã được lọc sơ bộ khi thấm qua các lớp đất và ít chịu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài do đó chất lượng tốt hơn so với nước ngầm không

nước ngầm mạch nông có nhiệt độ thay đổi theo môi trường Nước ngầm mạch sâu

có nhiệt độ ổn định gần như không thay đổi theo mùa

b Độ màu (Pt – Co)

Độ màu của nước thường do các chất bẩn trong nước tạo nên Các hợp chất sắt, mangan không hòa tan làm nước có màu vàng nâu, các chất mùn gây ra màu vàng, các loại thủy sinh gây ra màu xanh lá cây Nước thải sinh hoạt và công nghiệp thường tạo ra màu xám hay màu đen cho nguồn nước

Độ màu của nước cấp được xác định bằng cách so màu bằng mắt thường hay bằng máy so màu quang học với những thang màu tiêu chuẩn Đơn vị độ màu là Pt – Co

c Độ đục (NTU)

Độ đục là một đại lượng đặc trưng cho sự xuất hiện của các tạp chất trong nước như: huyền phù, các hạt cặn, đất, cát, các vi sinh vật,… Những loại tạp chất này làm giảm khả năng truyền ánh sáng của nước Trong nước ngầm, độ đục thể hiện sự tồn tại của các khoáng chất không hòa tan hay các hợp chất hữu cơ từ nước thải xâm nhiễm vào đất

Độ đục được đo bằng máy so màu quang học dựa trên cơ sở thay đổi cường

độ ánh sang khi đi qua lớp nước mẫu Đơn vị của độ đục thường là NTU, FTU, mgSiO2/L

d Mùi vị

Các chất khí hòa tan, chất hữu cơ và một số sản phẩm của quá trình phân hủy vật chất gây nên mùi khó chịu cho nguồn nước Nước thiên nhiên có thể có mùi đất, mùi tanh, mùi thối Nước sau quá trình khử trùng có thể bị nhiễm mùi clo

1.1.4.2 Chỉ tiêu hóa học [6], [10]

a Độ pH

Độ pH là chỉ số đặc trưng cho nồng độ ion H+

có trong dung dịch, thường biểu thị cho tính acid hay tính kiềm của nước

Độ pH trong nước có ý nghĩa quan trọng trong quá trình hóa lý khi xử lý nước bằng hóa chất Quá trình chỉ có hiệu quả tối ưu khi ở một khoảng pH nhất định trong những điều kiện nhất định

b Độ kiềm

Độ kiềm toàn phần là tổng hàm lượng các ion hydrocacbonat (HCO3-), cacbonat (CO32-), hydroxyl (OH-) và ion muối của các acit yếu (photphat, silicat, các axit muối hữu cơ)

Độ kiềm là một chỉ tiêu quan trọng trong công nghệ xử lý nước Để xác định

độ kiềm thường dung phương pháp chuẩn độ mẫu nước thử bằng axit clohydric (HCl) hay axit sunfuric (H2SO4) và theo dõi chất chỉ thị màu, đầu tiên là phenolphthalein, sau đó là metylloran

c Độ cứng

Độ cứng toàn phần của nước là tổng hàm lượng các ion canxi và magiê có trong nước Người ta thường sử dụng ba loại độ cứng: độ cứng toàn phần, độ cứng

Các đơn vị đo độ cứng: odH, of, oe, mđlg/L Ở Việt Nam dùng đơn vị đo độ cứng là miligam đương lượng trong 1 lít (mđlg/L)

d Các hợp chất của sắt và mangan trong nước

Trong nước ngầm, sắt thường tồn tại dưới dạng hòa tan hydrocacbonat sắt hóa trị hai Fe(HCO3)2 Đôi khi tồn tại dưới dạng keo của axit humic hay keo silic, keo lưu huỳnh Trạng thái tồn tại của sắt trong nước phụ thuộc vào pH và điện thế oxy hóa khử của nước

Tương tự sắt, mangan cũng thường có trong nước ngầm nhưng với hàm lượng nhỏ, rất ít khi vượt quá ngưỡng 5mg/L Mangan thường tồn tại dưới dạng hòa tan của các hợp chất hydrocacbonat hóa trị II Mn(HCO3)2

e Các khí hòa tan

Một số loại khí hòa tan tồn tại trong nước ngầm như hydro sunfura, oxy, cacbonic, mêtan Khi pH < 5,5 thì nước chứa nhiều CO2 Hàm lượng CO2 hòa tan trong nước thường làm cho nước có tính ăn mòn bêtông và làm giảm pH của nước

Trong nước ngầm, khí H2S là sản phẩm của quá trình khử diễn ra trong nước

Nó thường xuất hiện trong các mạch nước ngầm mạch nông khi nước bị nhiễm bẩn bởi các loại nước thải Hàm lượng khí H2S hòa tan trong nước nhỏ hơn 0,5 mg/L đã tạo cho nước có mùi khó chịu

f Các hợp chất Nitơ

Quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ tạo ra amoniac, nitric, nitrat trong tự nhiên, trong các chất thải, trong các nguồn phân bón mà con người trực tiếp hay gián tiếp đưa vào nguồn nước Do đó, các hợp chất này thường được xem như là những chất chỉ thị dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nguồn nước

g Các hợp chất Photpho

Trong nước tự nhiên, các hợp chất thường gặp nhất là photphat, khi nguồn nước bị nhiễm bẩn bởi rác và các hợp chất hữu cơ trong quá trình phân hủy, giải phóng ion PO43- có thể tồn tại dưới dạng H2PO4-, HPO42-, PO43-

Photphat không thuộc loại độc hại đối với con người nhưng sự tồn tại của chất này với hàm lượng cao trong nước sẽ gây cản trở trong quá trình xử lý Đặc biệt là hoạt động của bể lắng

h Chloride (Cl-)

Chloride làm cho nước có vị mặn, ion này thâm nhập vào nước qua sự hòa tan các muối khoáng hay bị ảnh hưởng từ quá trình nhiễm mặn các tầng chứa nước ngầm hay các vùng gần biển Việc dùng nước có hàm lượng Cl- cao có thể gây ra các loại bệnh liên quan đến thận cho người dùng Ngoài ra, nước chứa nhiều Cl-cũng có tính xâm thực đối với bêtông

1.1.4.3 Chỉ tiêu sinh học [6], [10]

a Vi khuẩn

Vi khuẩn trong nước thường tồn tại ở dạng đơn bào Tế bào đơn giản so với các vi sinh vật khác Vi khuẩn trong nước uống có thể gây ra các bệnh lị, viêm đường ruột và các bệnh tiêu chảy khác

Trong nước ngầm, ít có sự tồn tại của các vi khuẩn gây bệnh, chủ yếu là các loại vi khuẩn khử sắt, mangan

b Các loại rong tảo

Rong tảo phát triển trong nước bị nhiễm bẩn hữu cơ và làm cho nước có màu xanh Nước mặt có nhiều loại rong tảo sinh sống, trong đó loài gây hại chủ yếu và khó loại trừ là nhóm tảo diệp lục và tảo đơn bào Hai loài tảo này khi phát triển trong đường ống có thể gây tắc nghẽn đường ống, đồng thời làm cho nước có tính

ăn mòn do quá trình hô hấp thải ra khí cacbonic

1.1.4.4 Chỉ tiêu kim loại nặng [6]

Kim loại nặng có trong nước ngầm phụ thuộc vào cấu trúc địa tầng của khu vực và chiều sâu địa tầng nơi khai thác Ở một số khu vực bị ô nhiễm kim loại nặng thường nằm gần các khu công nghiệp, các thành phố lớn và khu vực khai thác khoáng sản

a Asen (As)

Asen là nguyên tố bán dẫn, tồn tại ở nhiều dạng thù hình khác nhau Hàm lượng Asen trong nước ngầm phụ thuộc vào tính chất và trạng thái môi trường địa hóa Asen tồn tại trong nước ngầm ở dạng H3AsO4-, HAsO42- Các hợp chất của Asen với Na có tính hòa tan rất cao Những muối của Asen với Ca, Mg và các hợp chất Asen hữu cơ trong môi trường pH gần như trung tính, nghèo Ca thì độ hòa tan kém hơn các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là Asen – acid fulvic thì rất bền vững, có xu thế tăng theo độ pH và tỷ lệ Asen – acid fulvic

b Crom (Cr)

Crom có trong nguồn nước tự nhiên là do hoạt động nhân tạo và tự nhiên Crom tồn tại ở hóa trị 6 và hóa trị 3 Hợp chất Cr6+ là chất oxy hóa mạnh và độc Các hợp chất của Cr6+ dễ gây viêm loét da, xuất hiện mụn cơm, viêm gan, viêm thận, ung thư phổi

c Thủy ngân (Hg)

Trong nước ngầm, thủy ngân có thể tồn tại ở dạng kim loại hoặc hợp chất hóa trị II Thủy ngân vô cơ có tác động chủ yếu đến thận, trong khi đó metyl thủy ngân ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương

1.1.5 Các chỉ tiêu về chất lượng nước

Tiêu chuẩn chất lượng nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt:

Nước cấp dùng cho ăn uống và sinh hoạt phải không màu, không mùi vị, không chứa các chất độc hại, các vi trùng và tác nhân gây bệnh Hàm lượng các chất hòa tan không được vượt quá tiêu chuẩn cho phép Các chỉ tiêu về chất lượng nước sinh hoạt được quy định theo “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt” [phụ lục 2] được Bộ Y tế ban hành kèm theo thông tư số: 05/2009/TT-BYT ngày 17 tháng 6 năm 2009

Bảng 1.12 Bảng quy chuẩn chất lượng nước cấp cho ăn uống

(Nguồn: QCVN 01/2009:BYT cột A)

Bảng 1.13 Bảng tiêu chuẩn chất lượng nước cấp cho sinh hoạt

(Nguồn: Theo QCVN 02/2009:BYT cột A)

Tiêu chuẩn chất lượng nước cấp cho công nghiệp:

Các ngành công nghiệp như thực phẩm, dệt, giày da, phim ảnh, hóa chất,… đều cần quan tâm đến chất lượng nước sinh hoạt, một số ngành còn có những yêu cầu riêng về độ cứng, hàm lượng sắt, mangan, Ngoài ra, trong các ngành công nghiệp khác, lượng nước dùng cho các quá trình làm nguội tương đối nhiều Yêu

cầu chất lượng nước làm nguội cho ở Bảng 1.14 Nước cấp cho nồi hơi tuy yêu cầu

không cao về các chỉ tiêu hóa sinh, vi sinh nhưng yêu cầu cao về các chỉ tiêu hóa

học Bảng 1.15 cho các yêu cầu về chất lượng nước cấp nồi hơi

Bảng 1.14 Yêu cầu chất lượng nước cho quá trình làm nguội [10]

Bảng 1.15 Yêu cầu chất lượng nước nồi hơi [10]

chọn công nghệ xử lý nước ngầm sao cho phù hợp [6] Tuy nhiên có một số quá

trình cơ bản có thể áp dụng để xử lý nước ngầm được tóm tắt như Bảng 1.16:

Bảng 1.16 Bảng tóm tắt các quá trình xử lý nước ngầm [9]

Làm thoáng

- Lấy oxy từ không khí để oxy hóa sắt và mangan hóa trị

II hòa tan trong nước

- Khử khí CO2 nâng cao pH của nước để đẩy nhanh quá trình oxy hóa và thủy phân sắt và mangan trong dây chuyền công nghệ khử sắt và mangan

- Làm giàu oxy để tang thế oxy hóa khử của nước, khử các chất bẩn ở dạng khí hòa tan trong nước

Clo hóa sơ bộ

- Oxy hóa sắt và mangan hòa tan ở dạng phức hữu cơ

- Loại trừ rong, rêu, tảo phát triển trên thành các bể trộn, tạo bông cặn và bể lắng, bể lọc

- Trung hòa lượng ammoniac dư, diệt các vi khuẩn tiết

Quá trình lắng

- Loại trừ ra khỏi nước các hạt cặn và bông cặn có khả năng lắng với tốc độ cho phép, làm giảm lượng vi trùng và vi khuẩn

Quá trình lọc - Loại trừ các hạt cặn nhỏ không lắng được trong bể

lắng, nhưng có khả năng dính kết trên bề mặt hạt lọc Hấp thụ và hấp phụ

bằng than hoạt tính

- Khử mùi, vị, màu của nước sau khi dùng phương pháp

xử lý truyền thống không đạt yêu cầu

Khử trùng nước - Tiêu diệt vi khuẩn và vi trùng còn lại trong nước sau

bể lọc

mg/L để bảo vệ men răng và xương cho người dùng nước

Ổn định nước

- Khử tính xâm thực và tạo ra màng bảo vệ cách ly không cho nước tiếp xúc trực tiếp với vật liệu mặt trong thành ống dẫn bảo vệ ống và phụ tùng trên ống

Làm mềm nước - Loại bỏ khỏi nước các ion Ca

2+

và Mg2+ đến nồng độ cho phép

Khử muối - Loại bỏ khỏi nước các cation và anion của các muối

hòa tan đến nồng độ yêu cầu

- Khử khí CO2, H2S có trong nước, làm tăng pH của nước, tạo điều kiện thuận lợi và đẩy nhanh quá trình oxy hóa và thủy phân sắt và mangan, nâng cao năng suất của quá trình lắng và lọc trong quy trình xử lý sắt và mangan

- Làm tăng hàm lượng oxy hòa tan trong nước, nâng cao thế oxy hóa của nước

để thực hiện dễ dàng các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong quá trình

khử mùi và màu của nước [10]

Có hai phương pháp làm thoáng:

- Đưa nước vào trong không khí: cho nước phun thành tia hay thành những màng mỏng chảy trong không khí ở các giàn làm thoáng tự nhiên, hay cho nước phun thành tia và màng mỏng trong các thùng kín rồi thổi không khí vào thùng như ở các giàn làm thoáng cưỡng bức

- Đưa không khí vào nước: dẫn và phân phối khí nén thành các bọt nhỏ theo giàn phân phối đặt ở đáy bể chứa nước, các bọt khí nổi lên, nước được làm thoáng

Trong kỹ thuật xử lý nước cấp, áp dụng các giàn làm thoáng theo phương pháp 1 và các thiết bị làm thoáng hỗn hợp giữa hai phương pháp trên: làm thoáng bằng máng tràn nhiều bậc và phun trên mặt nước Đầu tiên tia nước tiếp xúc với không khí, sau khi chạm mặt nước, tia nước kéo theo các bọt khí đi sâu vào khối

nước trong bể tạo thành các bọt nhỏ nổi lên [6]

Hiệu quả quá trình làm thoáng phụ thuộc vào:

- Chênh lệch nồng độ của khí cần trao đổi trong hai pha khí và nước, độ chênh lệch nồng độ biểu thị thực tế bằng cường độ tưới nếu dùng dàn thoáng tự

nhiên, hoặc bằng tỷ lệ gió/nước nễu dùng giàn làm thoáng cưỡng bức

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

- Thời gian tiếp xúc giữa hai pha khí và nước trong công trình, thời gian tiếp xúc càng lâu thì mức độ trao đổi càng triệt để

- Nhiệt độ của môi trường: nhiệt độ tăng làm tăng quá trình khử khí ra khỏi nước và bất lợi cho quá trình hấp thụ và hòa tan khí vào nước

- Bản chất của khí được trao đổi

1.1.6.2 Clo hóa sơ bộ [6]

Là quá trình cho Clo vào nước trước bể lắng và bể lọc, mục đích của quá

trình này là:

- Kéo dài thời gian tiếp xúc để tiệt trùng khi nguồn nước bị nhiễm bẩn nặng

- Oxy hóa sắt hòa tan ở dạng hợp chất hữu cơ, oxy hóa mangan hòa tan để tạo thành các kết tủa tương ứng

- Oxy hóa các chất hữu cơ để khử màu

- Trung hòa amoniac thành cloramin có tính chất tiệt trùng kéo dài

- Ngăn chặn sự phát triển của tảo, rong rêu trong bể phản ứng tạo bông cặn và

bể lắng, phá hủy tế bào các vi sinh vật sản sinh ra chất nhầy trên bề mặt lọc, làm tăng thời gian của chu kì lọc

Tuy vậy, clo hóa sơ bộ cũng có một số nhược điểm sau:

- Tiêu tốn lượng clo thường gấp 3 – 5 lần lượng clo dùng để khử trùng nước

sau bể lọc, làm tăng giá thành xử lý

- Clo có thể phản ứng với các chất hữu cơ hòa tan trong nước tạo ra các hợp chất trihalomethene là chất gây ra bệnh ung thư cho người sử dụng nước Vì vậy, không nên sử dụng quy trình clo hóa sơ bộ cho các nguồn nước mặt chứa nhiều chất hữu cơ

1.1.6.3 Quá trình khuấy trộn hóa chất [4], [6]

Quá trình khuấy trộn hóa chất là quá trình tạo điều kiện phân tán nhanh và đều hóa chất vào toàn bộ khối lượng nước cần xử lý Quá trình trộn đòi hỏi cần phải trộn nhanh và đều vào nước cần xử lý vì quá trình thủy phân tạo keo tụ diễn ra rất nhanh chóng Nếu không trộn đều và trộn kéo dài sẽ không tạo ra được các nhân keo tụ đủ, chắc và đều trong thể tích nước, hiệu quả lắng sẽ kém và tốn hóa chất Việc chọn điểm cho hóa chất vào để trộn đều với nước xử lý căn cứ vào tính chất và phản ứng hóa học tương hỗ giữa các hóa chất với nhau, giữa các hóa chất với các chất có trong nước xử lý theo quy trình công nghệ được lựa chọn để quyết định

1.1.6.4 Keo tụ - tạo bông [4], [6]

Mục đích của quá trình keo tụ - tạo bông là tạo ra tác nhân có khả năng dính kết các chất làm bẩn nước ở dạng hòa tan lơ lửng thành các bông cặn có khả năng lắng được trong các bể lắng hay kết dính trên bề mặt hạt của lớp vật liệu lọc với tốc

độ nhanh và kinh tế nhất

Khi trộn đều phèn với nước cần xử lý, các phản ứng hóa học và lý học xảy ra tạo thành hệ keo dương phân tán đều trong nước Khi được trung hòa, hệ keo dương này là các hạt nhân có tính kết dính với các keo âm phân tán trong nước và kết dính với nhau tạo thành các bông cặn Do đó, quá trình tạo nhân dính kết gọi là quá trình

keo tụ, còn quá trình kết dính cặn bẩn và nhân keo tụ gọi là quá trình phản ứng tạo bông cặn

Trong kỹ thuật xử lý nước thường dùng phèn nhôm Al2(SO4)3, phèn sắt FeCl3, Fe2(SO4)3 và FeSO4 Tuy nhiên, phèn nhôm được sử dụng rộng rãi hơn phèn sắt do quá trình sản xuất, vận chuyển và định lượng phèn sắt phức tạp hơn Hiệu quả của quá trình keo tụ - tạo bông phụ thuộc vào cường độ, thời gian khuấy trộn để tạo ra các nhân keo tụ, độ đục của nước thô, nhiệt độ nước, pH và phụ thuộc vào độ kiềm

Sự thủy phân của phèn:

Khi cho phèn nhôm vào trong nước sẽ xảy ra quá trình thủy phân ion Al3+

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 Phèn sắt hóa trị III khi cho vào nước phân ly thành Fe3+ và bị thủy phân thành Fe(OH)3

Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3↓ + 3H+

Để tăng quá trình tạo bông cặn người ta thường cho thêm vào bể phản ứng các chất trợ keo tụ polyme Khi tan trong nước, polyme sẽ tạo ra các liên kết lưới loại anion nếu trong nước thiếu ion đối (như SO42-) hay loại trung tính nếu thành phần ion và độ kiềm của nguồn nước thỏa mãn điều kiện keo tụ

- Bằng lực đẩy nổi do các bọt khí dính bám vào hạt cặn ở các bể tuyển nổi

Bể lắng có nhiệm vụ làm sạch sơ bộ trước khi đưa nước vào bể lọc để hoàn thành quá trình làm trong nước Theo chiều dòng chảy, bể lắng được phân thành: bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng lớp mỏng và bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng

Nhiệt độ nước càng cao, độ nhớt càng nhỏ, sức cản của nước đối với hạt cặn càng nhỏ làm tăng hiệu quả quá trình lắng Hiệu quả sẽ tăng lên 2 – 3 lần khi tăng nhiệt độ trong nước 10oC

Thời gian lưu nước trong bể lắng là chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của bể lắng Để đảm bảo lắng tốt, thời gian lưu nước trung bình của các phần tử nước trong bể lắng phải đạt từ 70 – 80% thời gian lưu nước trong bể theo tính toán

Nếu để cho bể lắng có vùng nước chết, vùng chảy quá mạnh, hiệu quả lắng sẽ giảm

đủ để giữ lại trên bề mặt hoặc giữa các khe hở của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và vi

trùng có trong nước [4] Sau một thời gian làm việc, tổn thất áp lực tăng, tốc độ lọc

giảm dần Để khôi phục lại khả năng làm việc của bể lọc, phải tiến hành rửa lọc

Tốc độ lọc là lượng nước được lọc qua một đơn vị diện tích bề mặt của bể lọc trong một đơn vị thời gian (m/h) Chu kỳ lọc là khoảng thời gian giữa hai lần rửa bể lọc T (h) Để thực hiện quá trình lọc nước có thể sử dụng một số loại bể lọc

có nguyên tắc làm việc, cấu tạo lớp vật liệu lọc và thông số vận hành khác nhau [6]

 Phân loại lọc: [4], [6]

Theo đặc điểm của vật liệu lọc, bể lọc được chia ra:

- Vật liệu lọc dạng hạt: lớp lọc gồm các hạt cát, than hoạt tính, thạch anh nghiền, than atraxit,…

- Lưới lọc: lớp lọc là lưới có mắt lưới đủ bé để giữ lại các cặn bẩn trong nước

- Màng lọc: lớp lọc là vải bông, vải sợi thủy tinh, vải sợi nilon, màng nhựa xốp,…

Theo tốc độ lọc bể lọc có vật liệu lọc dạng hạt chia ra:

- Bể lọc chậm: tốc độ lọc 0,1 – 0,5 m/h

- Bể lọc nhanh: tốc độ lọc 2 – 15 m/h

- Bể lọc cực nhanh: tốc độ lọc 15 m/h trở lên

Theo độ lớn của hạt vật liệu lọc chia ra:

- Bể lọc hạt bé: kích thước hạt của lớp trên cùng bé hơn 0,4 mm

- Bể lọc hạt trung bình: kích thước lớp hạt trên cùng trong khoảng 0,4 – 0,8mm

- Bể lọc hạt lớn: kích thước lớp hạt trên cùng lớn hơn 0,8 mm

 Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc nước qua bể lọc [4]

- Kích thước hạt lọc và sự phân bố các cỡ hạt trong lớp vật liệu lọc

- Vật liệu lọc là yếu tố quyết định đến quá trình lọc Mỗi lọc vật liệu có hiệu quả lọc khác nhau Do đó, cần chú ý các đặc tính của vật liệu lọc trong sản xuất và chọn lớp vật liệu lọc

- Chiều cao của lớp vật liệu lọc Tùy thuộc vào kích thước hạt và vận tốc lọc Kích thước hạt càng lớn, vận tốc lọc cao thì chiều cao lớp lọc càng phải dày Ngược lại, kích thước hạt càng bé, vận tốc lọc thấp thì có thể thiết kế chiều cao lớp lọc mỏng hơn

- Nhiệt độ và độ nhớt của nước

 Vật liệu lọc [4]

Vật liệu lọc là bộ phận cơ bản của các bể lọc, nó đem lại hiệu quả làm việc

và tính kinh tế của quá trình lọc Vật liệu lọc hiện nay được dùng phổ biến nhất là cát thạch anh tự nhiên do giá thành rẻ, dễ kiếm và hiệu suất lọc khá cao Ngoài ra,

có thể sử dụng một số loại vật liệu khác như: cát thạch anh nghiền, đá hoa nghiền, than atraxit,…

Tiêu chuẩn lựa chọn vật liệu lọc tùy theo giá thành, điều kiện khai thác, vận chuyển và phải thỏa mãn các yêu cầu cơ bản sau:

- Bảo đảm thành phần hạt theo yêu cầu phân loại

- Cơ chế hoạt hóa

- Cơ chế vi sinh

Bảng 1.17 Sự khác biệt giữa quá trình lọc nhanh và lọc chậm [4]

và điện hóa trên bề mặt đường ống thiết bị bởi sự điều chỉnh các quá trình xử lý trước đó

Hóa chất thường dùng để ổn định nước là: hyxametaphotphat, silicat natri, sôđa, vôi

1.1.6.9 Làm mềm nước và khử muối trong nước

 Làm mềm nước

Làm mềm nước là quá trình làm giảm nồng độ của ion canxi và magiê – là chất gây ra độ cứng của nước Có nhiều phương pháp làm mềm nước, vì thế phải căn cứ vào mức độ làm mềm cần thiết, chất lượng nước nguồn và các chỉ tiêu kinh

tế để chọn ra phương pháp làm mềm thích hợp nhất [6]

Để làm mềm nước người ta thường dùng các phương pháp sau:

- Làm mềm nước bằng hóa chất: pha các hóa chất khác nhau vào nước để kết hợp với ion Ca2+ và Mg2+ tạo thành các hợp chất không tan trong nước

- Phương pháp nhiệt: đun nóng hoặc chưng cất nước

- Phương pháp trao đổi ion: lọc nước cần làm mềm qua lớp lọc cationit có khả năng trao đổi ion Na+ hoặc H+ có trong thành phần của hạt cationit với ion

Ca2+ và Mg2+ hòa tan trong nước và giữ chúng lại trên bề mặt của các hạt lớp vật liệu lọc

- Phương pháp tổng hợp: là phương pháp phối hợp hai trong ba phương pháp

tan trong nước đến trị số thỏa mãn yêu cầu công nghệ sản xuất quy định [6]

Các phương pháp khử mặn hiện nay như:

- Nước có hàm lượng muối dưới 3 g/L dùng phương pháp trao đổi ion

- Nước có hàm lượng muối từ 3 – 10 g/L dùng phương pháp điện phân hay lọc qua màng lọc bán thấm

- Nước có hàm lượng muối lớn hơn 10 g/L dùng phương pháp chưng cất, đông lạnh qua màng lọc bán thấm

1.1.6.10 Khử trùng nước

Khử trùng nước cấp là một quá trình nhằm tiêu diệt hoặc làm mất khả năng hoạt động của các vi sinh vật gây bệnh và đây cũng là một quá trình không thể thiếu

được trong các công nghệ xử lý nước [9]

Các chất khử trùng ngoài tác dụng tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh, cũng chính

là các chất oxy hóa mạnh Trong xử lý nước cấp, chúng còn được dùng để:

- Ngăn ngừa sự phát triển của rong tảo trong bể lắng và bể lọc

- Ngăn cản sự tái phát triển của vi sinh vật và đảm bảo sự ổn định sinh học

- Tăng cường hiệu quả keo tụ và lọc

- Giảm thiểu sự hình thành DBPs

- Khử màu, khử mùi, khử vị

- Khử sắt và mangan

Quá trình khử trùng diễn ra theo ba cơ chế chính:

- Phá hủy hoặc làm suy giảm tổ chức cấu trúc tế bào

- Làm cản trở quá trình trao đổi chất và năng lượng

- Làm cản trở quá trình sinh tổng hợp và phát triển

Quá trình khử trùng chính là sự kết hợp của ba cơ chế này, tùy thuộc vào tác nhân khử trùng sử dụng và dạng vi sinh vật trong nước

 Khử trùng bằng Clo và các hợp chất của Clo:

Clo là một chất oxy hóa mạnh ở bất cứ dạng nào Khi Clo tác dụng với nước tạo thành axit hypoclorit (HOCl) có tác dụng diệt trùng mạnh Khi cho Clo vào nước, chất diệt trùng sẽ khuếch tán xuyên qua vỏ tế bào vi sinh vật và gây phản ứng với men bên trong của tế bào, làm phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến vi sinh vật bị tiêu diệt

Khi cho Clo vào nước, phản ứng diễn ra ở dạng phương trình phân ly:

Cl2 + H2O  HOCl- + HClKhi sử dụng Clorua vôi, phản ứng diễn ra:

-Ca(OCl)2 + H2O  CaO + 2H+ + 2OCl-

Ngoài ra, người ta còn sử dụng Ozone để khử trùng Ozone là một chất khí

có màu ánh tím ít hòa tan trong nước và rất độc hại đối với con người Ở trong nước, Ozone phân hủy rất nhanh thành oxy phân tử và nguyên tử Ozone có tính hoạt hóa mạnh hơn Clo nên khả năng diệt trùng mạnh hơn Clo rất nhiều lần Thời gian tiếp xúc rất ngắn do đó diện tích bề mặt thiết bị giảm, không gây mùi vị khó

chịu trong nước kể cả khi trong nước có chứa phenol [2], [9]

cồng kềnh, nên chỉ dùng trong quy mô hộ gia đình [9]

 Khử trùng bằng tia cực tím (UV):

Tia cực tím (UV) là tia bức xạ điện từ có bước sóng khoảng 4 – 400 nm, có tác dụng diệt trùng rất mạnh Khi tia chiếu tia UV vào nước, nó sẽ tác dụng lên các phân tử protit của tế bào vi sinh vật, phá vỡ cấu trúc và làm mất khả năng trao đổi chất, vì thế chúng sẽ bị tiêu diệt Hiệu quả khử trùng chỉ đạt được hiệu quả cao khi trong nước nguồn không có các chất hữu cơ và cặn lơ lửng Khử trùng bằng tia UV

là một phương pháp vật lý nên hầu như không tạo thành các hợp chất trung gian của

quá trình khử trùng [2]

 Khử trùng bằng sóng siêu âm:

Dòng siêu âm có cường độ tác dụng không nhỏ hơn 2W/cm2

trong khoảng thời gian trên 5 phút có khả năng tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật có trong nước

mùi và vị tương đối tốt hiệu quả quả tác dụng

Dạng tồn tại phụ thuộc vào pH

Hiệu quả tăng nhẹ khi pH tăng

Dư lượng tồn tại lâu hơn ở pH thấp

Không ảnh hưởng

1.1.7 Một số công nghệ xử lý nước ngầm

1.1.7.1 Công nghệ xử lý nước nhiễm sắt cao (25 – 35 mg/l) tại nhà máy Việt

Hòa, Thành phố Hải Dương công suất 10.000 m3/ngđ [10]

Châm Clo

Trạm bơm cấp I Nước nguồn

Thuyết minh công nghệ:

Nước nguồn được bơm lên giàn mưa để thực hiện quá trình làm thoáng sau

đó dẫn qua bể trộn đồng thời cho thêm vôi để tăng pH và ổn định nước Bể trộn đứng với dòng chảy từ dưới lên tạo ra sự xáo trộn hóa chất phân tán đều trong nước Tiếp theo nước được đưa sang bể phản ứng đứng có vách ngăn Tại đây, các chất lơ lửng được tiếp xúc với hóa chất tạo bông cặn PAC sẽ hình thành nên lớp cặn lơ lửng Sau một thời gian, nước đi sang bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng bằng hai kênh dẫn để loại bỏ lớp cặn đã hình thành

Sau khi lắng cặn, nước chuyển qua bể lọc nhanh Vật liệu lọc gồm 3 lớp: than, cát mịn, cát thô được đặt trên tấm đan đỡ lớp vật liệu lọc bằng bêtông cốt thép Nước sau lọc được khử trùng bằng Clo trên các đường ống rồi dẫn sang bể chứa nước sạch Hệ thống bơm cấp II sẽ phân phối nước đi ra mạng lưới tiêu thụ

1.1.7.2 Công nghệ xử lý nước ngầm tại Hóc Môn, Thành phố Hồ Chí Minh công

suất 65.000 m3/ngđ [11]

Hình 1.12 Sơ đồ công nghệ xử lý nước ngầm tại Hóc Môn – Tp.Hồ Chí Minh

Thuyết minh công nghệ:

Nước từ giếng khoan được đưa lên giàn phun mưa để làm thoáng Sau đó người ta cho thêm hóa chất và clo vào để tiếp tục khử Fe và khử cứng rồi dẫn nước

đi qua bể trộn đứng Dưới tác dụng của dòng chảy ngược các hóa chất phân tán đều

Clo PAC

Trạm bơm cấp I

Giàn mưa

Bể trộn đứng

Bể lắng tiếp

Bể chứa

Bể lọc nhanh

Trạm bơm cấp II MLCN

trong toàn bộ thể tích nước Từ bể trộn nước đi vào bể lắng tiếp xúc nhằm loại bỏ các bông cặn tạo ra trong quá trình trước Nước sau lắng được dẫn tiếp vào bể lọc nhanh nhằm mục đích loại bỏ hết các loại cặn nhỏ không lắng được trong bể lắng cuối cùng nước đi về bể chứa, đồng thời châm clo để khử trùng và được trạm bơm cấp II phân phối vào hệ thống tiêu thụ

1.2 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC NHIỄM SẮT

1.2.1 Trạng thái tồn tại tự nhiện của sắt trong các nguồn nước

1.2.1.1 Các hợp chất vô cơ của ion sắt [4], [6]

- Các hợp chất vô cơ của ion sắt hóa trị II: FeS, Fe(OH)2, FeCO3, Fe(HCO3)2, FeSO4,…

- Các hợp chất vô cơ của ion sắt hóa trị III: Fe(OH)3, FeCl3,… trong đó keo hydroxyt sắt hóa trị III Fe(OH)3 là chất keo tụ, rất dễ dàng lắng đọng hoàn toàn trong các bể lắng và bể lọc Vì thế các hợp chất vô cơ của sắt hòa tan trong nước hoàn toàn có thể xử lý bằng phương pháp lý học: làm thoáng lấy oxy của không khí oxy hóa sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III và quá trình thủy phân, keo tụ Fe(OH)3, xảy ra hoàn toàn trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và

bể lọc trong

1.2.1.2 Các phức chất vô cơ của ion sắt với silicat, photphat (FeSiO(OH) 3 +3 )

- 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 trường

Các loại phức chất và hỗn hợp các ion hòa tan của sắt, không thể khử bằng phương pháp lý học thông thường mà phải kết hợp với phương pháp hóa học Muốn khử sắt các dạng này phải cho thêm vào nước các chất oxy hóa như Cl2, KMnO4, O3 để phá vỡ liên kết và oxy hóa ion sắt thành ion sắt hóa trị III hoặc cho vào nước 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 hưởng của nước 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 nước Nước mưa khi ngấm vào lòng đất và các tầng địa chất sẽ hòa tan sắt, từ đó sẽ ngấm vào các nguồn nước ngầm, cũng chính là nguồn nước giếng mà hiện tại người dân đang sử dụng rỗng rãi Sắt trong nước có các ảnh hưởng sau:

- Đối với sức khỏe: sắt cơ bản không ảnh hưởng 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 Nhưng nó được coi như chất gây ô nhiễm thứ cấp hoặc chất gây mất thẩm mỹ cho nước

- Đối với vị giác và thực phẩm: sắt hòa tan làm nước 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 được chế biến bằng

nước 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 nước sẽ để lại các vết bẩn màu nâu đỏ trên quần áo và rất khó tẩy [18]

Mặt khác khi nước này chảy qua các ống nước sẽ lắng cặn lại gây gỉ sét và

ra trong môi trường tự do, môi trường hạt hay môi trường xúc tác

 Phản ứng oxy hóa Fe 2+

thành Fe 3+ trong môi trường tự do [4], [15]

Trong nước ngầm, sắt bicacbonat là một muối không bền, nó dễ dàng phân ly theo phản ứng:

Fe(HCO3)2 = Fe2+ + 2HCO3Quá trình làm thoáng tạo điều kiện hòa tan oxy vào nước, lúc đó xảy ra quá trình oxy hóa và thủy phân diễn ra như sau:

-4Fe2+ + 10H2O + O2 = 4Fe(OH)3↓+ 8H+Đồng thời xảy ra phản ứng phụ:

H+ + HCO3- = H2O + CO2 4Fe(OH)3 trong nước kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách khỏi nước một cách dễ dàng nhờ quá trình lắng, lọc Kết hợp các phản ứng trên ta có được phản ứng chung của quá trình oxy hóa sắt như sau:

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

 Phản ứng oxy hóa Fe 2+

thành Fe 3+ trong môi trường dị thể của lớp vật liệu

lọc [4], [15]

Trường hợp làm thoáng này chỉ để cung cấp oxy cho nước Khi làm thoáng,

Fe2+ được 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 như 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 như: Fe(OH)2, Fe(OH)3,…

Sau khi lớp màng được 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)3xảy ra tại đây Tốc độ oxy hóa Fe2+ ở trên lớp màng lớn hơn rất nhiều so với trong môi trường đồng thể Như 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 như: cỡ hạt, tốc độ lọc, hàm lượng cặn

Tuy nhiên, để việc khử sắt trong môi trường dị thể đem lại hiệu quả cao thì cần đảm bảo các yêu cầu sau: pH > 6,8; hàm lượng sắt trong nước nguồn không lớn hơn 15 mg/L; NH4 < 1 mg/L

 Phản ứng oxy hóa Fe 2+ thành Fe 3+ 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 trường gợp pH thấp (pH < 5) Các phản ứng tại lớp màng xảy ra như sau:

3MnO2 + O2  MnOMn2O7

MnOMn2O7 + 4Fe(HCO3)2 + H2O  3MnO2 + 4Fe(OH)3 + 8CO2

Dưới 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 được 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 lượng CO2 sau làm thoáng giảm rất ít

 Lượng O2 hòa tan bằng 40% giá trị bão hòa

- Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên:

 Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 50%

 Lượng O2 hòa tan bằng 55% giá trị bão hòa

- Làm thoáng cưỡng bức:

 Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 75%

 Lượng 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 nước nguồn có nồng độ Fe2+ ≤ 10mg/L, NH4+ < 1mg/L, H2S ≤ 0,5mg/L, pH sau làm thoáng ≥ 6,8 Hệ thống này khử được 30 – 35%

CO2 trong nước

trên bề mặt lọc

Bể lọc nhanh

Bể chứa nước sạch Chất khử trùng

Ưu 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

Nhược 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 lượng nước 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

Ưu điểm:

 Áp dụng được cho nguồn nước ô nhiễm sắt khá nặng

 Công trình gọn, dễ vận hành, ổn định

Nhược điểm:

 Yêu cầu chất lượng nước đầu vào khá nghiêm ngặt

c Công nghệ làm thoáng cưỡng bức – Lắng – Lọc nhanh

Công nghệ này thường áp dụng cho trường hợp nước ngầm có pH thấp, nồng

độ Fe2+ < 6 mg/L, Mn2+ < 1 mg/L, CO2 dao động trong khoảng rộng

Bể chứa nước sạch Chất khử trùng

Hình 1.22 Sơ đồ làm thoáng tự nhiên – lắng tiếp xúc – lọc

nước Chất khử trùng

 Chi phí điện cao

 Chỉ xử lý được nguồn nước có mức ô nhiễm thấp hoặc trung bình

 Ổn định, dễ quản lý, di chuyển và lắp đặt nhanh

 Có khả năng công xưởng hóa

 Công trình gọn nhẹ, chiếm ít diện tích

 Có khả năng áp dụng cho công suất bất kỳ

Nhược điểm:

 Chi phí điện cao

 Hạn chế lượng CO2 thoát ra

Máy nén khí

Bể lọc

áp lực

Bể chứa nước Chất khử trùng

Giếng