khử sắt bằng làm thoáng

Vì thế các hợp chất vô cơ của sắt hòa tan trong nước hoàn toàn có thể xử lý bằng phương pháp lọc: làm thoáng lấy oxy của không khí để oxy hóa sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III và cho

Trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm

Thành phố Hồ Chí Minh Khoa CNSH-KTMT

Bài tiểu luận

GVHD: Nguyễn Đức Đạt Đức Nhóm: 4

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 càng phát triển, cũng đồng nghĩa với việc chất lượng cuộc sống của con người ngày càng được cải thiện và nâng cao hơn Kéo theo đó, những nhu cầu tất yếu phục cuộc sống thường ngày cũng được xã hội cũng như dư luận chú trọng và quan tâm hơn trước Một trong những nhu cầu không thể thiếu phục vụ của cuộc của con người là nước sạch cấp cho ăn uống và sinh hoạt Vai trò của nước sạch là rất quan trọng đối với sự tồn tại cảu con người cũng như các sinh vật, con người có thể nhịn đói cả tuàn không sao nhưng không thể thiếu nước uống quá 3 ngày

Trong xử lý phục vụ cấp nước, có hai nguồn là cung cấp nước là nước mặt và nước ngầm Mỗi loại nước có tính chất và thành phần rất khác nhau nên các công đoạn xử lý cũng rất đặc trưng riêng Nếu như nước mặt có ưu điểm là dễ khai hơn so với nước ngầm, thì có cũng có hạn chế lớn là dễ bị nhiễm bẩn bởi các tạp chất, các nguồn nước xả thải hay các dòng chảy mặt Trong khi đó nước ngầm tuy có ưu điểm là khồn bị nhiễm bẩn, hay chứa nhiều vi sinh vật nhưng nước ngầm lại bị nhiễm sắt

Có thể nói, có rất nhiều vấn đề cần phải được xem xét và giải quyết trong khia thác và

xử lý nước phục vụ cấp nước cho sinh hoạt Tuy nhiên trong khổ bài báo cáo của nhóm 4, chúng em xin chỉ tập vào khía cạnh xử lý sắt bằng phương pháp làm thoáng

1 Tổng quan

1.1 Trạng thái tồn tại của sắt trong nước

1.1.1 Các hợp chất vô cơ của sắt hóa trị II

FeS, Fe(OH)2, FeCO3, Fe(HCO3)2, FeSO4…

1.1.2.Các hợp chất vô cơ của sắt hóa trị II

Fe(OH)3, FeCl3 … trong đó keo hyđroxyt sắt hóa trị III Fe(OH)3 là chất keo tụ dễ dàng lắng động 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 lọc: làm thoáng lấy oxy của không khí để oxy hóa sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III và cho 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

1.1.3. Các phức chất cơ của vô ion sắt silicat, photphat (FeSiO (OH)3)

- Các phức chất hữu cơ của ion sắt với axit humic, funvic…

- Các ion sắt hòa tan Fe(OH)+, Fe(OH)3- tồn tại tùy thuộc vào giá trị 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 ở các dạng này phải cho thêm vào nước các chất oxy hóa như: KMnO4, ozon để phá vỡ liên kết và oxy hóa ion sắt thành ion 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

1.2 Tác hại của sắt tơi sức khỏe con người và vấn đề loại bỏ sắt trong việc phục

vụ nước cấp.

Nước chứa sắt không ảnh hưởng đến sức khỏe con người Những nguồn nước này khi tiếp xúc với oxi không khí trở nên đục và tạo cảm quan không tốt đối với người sử dụng,

do sự oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ , tồn tại dưới dạng kết tủa keo

Mặc dù nước chứa sắt không gây độc hại đến cơ thể tuy nhiên nước có hàm lượng sắt cao hơn 0.5 mg/l nước thường đục có mùi tanh gây ảnh hưởng đến chất lượng nước ăn uống , sinh hoạt và sản xuất : làm ố vàng quần áo khi giặt, làm hỏng sản phẩm của các nghành dết, giấy , phim ảnh ,đồ hộp các cặn sắt kết tủa có thể làm tắc hoặc giảm khả năng vận chuyển của các ống dẫn nước

Ngoài ra nước bị nhiễm sắt sẽ làm cho thực phẩm biến chất, thay đổi màu sắt, mùi vị làm giảm việc tiêu hóa và hấp thu các loại thực phẩm, gây khó tiêu, nước nhiễm sắt dùng để pha trà sẽ làm mất hương vị của 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 tại trong đất và khoáng chất chủ yếu dưới dạng Fe2O3 không tan

và quặng pyrit sắt FeS2 Một dạng khác của sắt là FeCO3 ít tan Do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, thời tiết, nắng mưa, các quá trình phong hóa và sinh hóa trong khu vực làm nguồn nước bị nhiễm sắt, do nước chứa CO2 , nên FeCO3 có thể bị hòa tan theo phương trình:

FeCO3 +CO2 + H2O Fe2+ + HCO3-

Phản ứng này không xảy ra khi hàm lượng CO2 và FeCO3 cao nếu có mặt oxi hòa tan Tuy nhiên trong điều kiện kỵ khí, Fe3+ bị khử thành Fe2+ một cách dễ dàng

Fe tồn tại trong nguồn nước do sự thay đổi điều kiện môi trường dưới tác dụng của các phản ứng sinh học xảy ra trong các trường hợp sau:

Trong nước ngầm có chứa một lượng Fe đáng kể , không chứa oxi hòa tan và có hàm lượng CO2 cao Fe tồn tại dưới dạng Fe2+ Hàm lượng CO2 cao chứng tỏ quá trình Oxy hóa các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật đã xảy ra và nồng độ oxi hòa tan bằng không , chứng tỏ điều kiện kỵ khí đã hình thành

Trong các giếng nước có hàm lượng Fe thấp Nếu sau đó chất lượng nước giảm đi thì

do các chát hữu cơ thải ra mặt đất ở khu vực gần giếng nước đã tạo ra môi trường kỵ khí trong lớp đất

Trên cơ sở nhiệt động học Fe3+ là trạng thái bềnh nhất của Fe trong các nguồn nước chứa oxy do đó chúng có thể bị khử thành Fe2+ hòa tan chỉ trong môi trường kỵ khí Những nghiên cứu gần đây cho thấy rằng một số vi sinh vật có khả năng sử dụng Fe(III) làm chất nhận điện tử do quá trình trao đổi chất dưới điều kiện kỵ khí dẫn đến sự hình thành các dạng khử Fe(II)

Như vậy, vi sinh vật không chỉ tạo ra môi trường kỵ khí cần thiết cho quá trình khử mà còn có có khả năng khử trực tiếp Fe

Quá trình oxy hóa pyrit sắt (FeS2) không tan cũng là nguyên nhân tạo ra môi trường kỵ khí và sự hình thành sulfat sắt hòa tan:

2FeS2 +7O2 + 2 H2O 2Fe2+ + 4SO42- +4H+

2 Đặc trưng của nguồn nước nhiễm sắt và tiêu chí chọn phương pháp xử lý 2.1 Đặc trưng của nguồn nước nhiễm sắt:

Sắt có mặt trong nước mặt và nước ngầm Hàm lượng sắt trong nước tự nhiên rất dao động, tùy thuộc và nguồn nước cũng như thành phần địa chất khu vực nước chảy qua Ngoài ra, tùy thuộc vào độ pH và sự có mặt của một số chất như cacbonat, CO2, O2, các chất hữu cơ tan trong nước, chúng sẽ oxy hóa hay khử sắt và làm cho sắt có thể tồn tại ở dạng tan hay kết tủa

Trong nước mặt, do ion Fe2+ dễ bị oxy hóa nên sắt thường tồn tại ở dạng Fe3+ thường là Fe(OH)3 dưới dạng keo hữu cơ, cặn huyền phù…., và có thể dễ dàng được loại bỏ cùng với độ đục

Trong nước ngầm, hàm lượng sắt thường cao và phân bố không đồng đều, phụ thuộc vào các lớp trầm tích dưới đất sâu nơi dòng nước chảy qua Khi tiếp xúc với oxy hoặc các tác nhân oxy hóa, ion Fe2+ bị oxy hóa thành Fe3+ và kết tủa tạo thành các bông cặn Fe(OH)3

có màu nâu đỏ

Các ion sắt hòa tan Fe(OH)2, Fe(OH)3 tồn tại tùy thuộc và giá trị thế oxy hóa khử và pH của môi trường Trong đó Fe(OH)3 là chất keo tụ, dễ dàng lắng đọng trong các bể lắng và

bể lọc Vì thé 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 để oxy hóa sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III và cho quá trình thủy phân, keo tụ Fe(OH)3 xảy ra hoàn toàn trong các bể lắng,

bể lọc tiếp xúc và các bể lọc

Trong khi đó, các loại phức chất và hỗn hợp các ion hoàn tan của sắt không thể khử bằng phương pháp lý học thong thường, mà phải kết hợp với phương pháp hóa học Muốn khử sắt ở dạng này phải cho thêm vào nước các chất oxy hóa như: Cl-, KMnO4, Ozone, để phá vỡ lien kết và oxy hóa ion sắt II thành ion sắt hóa trị III hoặc cho vào nước chất keo

tụ FeCl3, Al2(SO4)3 và tiến hành kiềm hóa để có giá trị pH thích hợp cho quá trình

2.2 Tiêu chí chọn phương pháp:

Việc lựa chọn một hay một nhóm các phương pháp để loại bỏ sắt ra khỏi nước phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính , thành phần, hàm lượng các chất có trong nguồn nước ngầm cần xử

lý cũng như mục đích sử dụng của nước sau xử lý (cấp cho sinh hoạt hay cọ rửa, sản xuất, ), khả năng tài chính…

Các phương pháp được chọn dùng phải đảm bảo tối ưu nhất trong phạm vy không những

về phương diện kỹ thuật mà cả về khía cạnh kinh tế Do đó, trước khi quyết định sử dụng phương pháp nào, các nguồn nước thường được lấy mẫu để phân tích thành phần và sau

đó tiến hành thử nghiệm hiệu quả của các phương pháp ở quy mô nhỏ trước khi áp dụng

và thực tế

3 Loại bỏ sắt ra khỏi nguồn nước bằng 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 trong nước

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

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

3.2 Nguyên tắc của phương pháp làm thoáng và các cách làm thoáng

3.2.1 Nguyên tắc của phương pháp làm thoáng:

Nguyên tắc của phương pháp làm thoáng để loaị bỏ sắt 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 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) theo phương trình sau:

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

3.2.2 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)

Làm thoáng đơn giản trên bề mặt lọc

3.2.3 Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên

Làm thoáng bằng giàn mưa

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 CO2 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 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%

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 bề mặt bể lọc chỉ nên áp dụng khi nước nguồn có hàm lượng sắt thấp và không phải khử CO2

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 CO2

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 được 75% - 80% lượng CO2 có trong nước nhưng lượng CO2 còn lại sau khi 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 cưỡng bức – thùng quạt gió

3.3.4 Bể lắng tiếp xúc:

Bể lắng tiếp xúc có chức năng giữ nước 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 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 hạt từ 0.9 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/m2.s Nếu sử dụng

bể lọc hai lớp gồm antraxit và cát thạch anh thì hiệu quả xử lí sẽ cao hơn

3.4 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 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:

Thời gian tiếp

xúc cần thiết

trong bể lắng và

bể lọc (thời gian

lưu nước) (phút)

Thời gian tiếp

xúc cần thiết

(thời gian lưu

nước) trong bể

lọc tiếp xúc ( bể

lọc 1) và bể lọc

Bể lọc chậm

Bể lọc nhanh

2) (phút)

Tốc độ lọc qua bể tiếp xúc có thể lấy 5 – 20m/h tùy thuộc vào thời gian lưu nước cần thiết và lượng cặn cần giữ lại sao cho qua bể lọc đợt 1 hàm lượng cặn còn lại đi qua bể lọc trong (lọc đợt 2) < 15 mg/l

Tốc độ lọc qua bể lọc trong lấy 3 – 9 m/h tùy thuộc vào chiều dày và cỡ hạt của lớp vật liệu lọc và thời gian lưu nước cần thiết

Nhiệt độ của môi trường, nhiệt độ tang lợi cho quá trình khử khí ra khỏi nước

Thời gian tiếp xúc giữa hai pha khí và nước, diện tích tiếp xúc càng lớn, quá trình trao đổi càng triệt để

Hàm lượng oxy, hàm lượng sắt, hàm lượng H2S, NH3 và các chất bẩn hữu cơ:

H2S<0.2 mg/l, NH4 <0.1mg/l

3.5 Ưu nhược điểm của phương pháp

Ưu điểm: Không cần sử dụng hóa chất và các thiết bị đi kèm như bình pha hóa chất,

bơm định lượng, quản lý đơn giản, chi phí 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