Chương 6: Khử sắt và mangan

CHƯƠNG 6
KHỬ SẮT VÀ MANGAN
KHỬ SẮT
 Sắt có chứa trong cả nước mặt và nước
ngầm
 Trong nước mặt: Fe thường tồn tại ở
dạng Fe
3+
thường là Fe(OH)
3
dưới dạng
keo, huyền phù => loại ỏ cùng với ñộ ñục
 Trong nước ngầm: Fe thường tồn tại
dưới dạng Fe
2+
trong các muối hòa tan (
Fe(HCO
3
)
2
; FeSO
4
)
 Nước có hàm lượng sắt cao thường có
mùi tanh, nhiều cặn bẩn màu vàng => ảnh
hưởng xấu ñến chất lượng nước ăn
uống, sinh hoạt, sản xuất
KHỬ SẮT
 Các phương pháp khử sắt:
- Phương pháp làm thoáng
- Phương pháp dùng hóa chất

- Phương pháp khác
KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG
PHÁP LÀM THOÁNG
 Bản chất: làm giàu oxi trong nước ñể tăng
cường chuyển hóa Fe
2+
thành Fe
3+
=> kết
tủa => lọc
 Làm thoáng có thể xảy ra trong:
+ Môi trường tự do
+ Môi trường hạt
+ Môi trường xúc tác
KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG
PHÁP LÀM THOÁNG
 Chuyển hóa Fe
2+
thành Fe
3+
trong môi trường tự
do (thường dùng giàn mưa hay quạt gió)
- PTPU: Fe(HCO
3
)
2
= 2HCO
3
-
+ Fe

2+
Sau ñó: 4Fe
2+
+ O
2
+ 10 H
2
O = Fe(OH)
3
+ 8H
+
ðồng thời: H
+
+ HCO
3
2-
= H
2
O + CO
2
Tốc ñộ phản ứng:
K: hằng số phản ứng, phụ thuộc vào nhiệt ñộ và
chất xúc tác
2+2+
2
+ 2
[Fe ].[O ]
[Fe ]
.
dt [H ]

d
v k
= =
KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG
PHÁP LÀM THOÁNG
Các yếu tố ảnh hưởng:
- pH
- Hàm lượng O
2
- Hàm lượng sắt
- ðộ kiềm
- Nhiệt ñộ
- Thời gian phản ứng
- Hàm lượng H
2
S, NH
3
và các chất bẩn hữu cơ
Quy phạm: H
2
S < 0,2 mg/l, NH
4
+
< 0,1 mg/l, ñộ oxi
hóa < 0,15 [Fe
2+
]
KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG
PHÁP LÀM THOÁNG
 Phản ứng oxi hóa Fe

2+
và thủy phân Fe
3+
trong môi trường dị thể của lớp vật liệu
lọc.
- Làm thoáng ñể cung cấp oxi cho nước.
- Khi làm thoáng, Fe
2+
oxi hoá thành Fe
3+
với tỷ lệ nhỏ.
- Quá trình oxi hoá Fe
2+
thành Fe
3+
và
thuỷ phân Fe
3+
thành Fe(OH)
3
chủ yếu
xảy ra trong lớp vật liệu lọc.
KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG
PHÁP LÀM THOÁNG
- Lớp màng gồm các chất: Fe
2+
, Fe
3+
,
Fe(OH)

2
, Fe(OH)
3
- Thời gian tạo thành lớp màng phụ thuộc
vào: Cỡ hạt, chiều dày lớp vật liệu lọc, tốc
ñộ lọc, hàm lượng cặn
- Thời gian luyện: 140 – 330h
- Quy phạm: pH > 6,8; [Fe
2+
] < 15 mg/l, ðộ oxi
hóa < [0,15(Fe
2+
).5] mg/l O
2
, NH
4
+
< 1mg/l,ñộ
màu < 15
o
KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG
PHÁP LÀM THOÁNG
 Oxi hóa Fe
2+
thành Fe
3+
khi có mặt lớp màng
xúc tác Mangan oxit
- Lớp màng mangan oxit là chất xúc tác làm tăng
quá trình chuyển hóa Fe

2+
=> Fe
3+
ngay cả khi
pH thấp.
- PTPƯ:
MnOMn
2
O
7
+4Fe(HCO
3
)
2
+2H
2
O => 3MnO
2
+4Fe(OH)
3
+ 8CO
2
3MnO
2
+ O
2
=> MnOMn
2
O
7

KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG
PHÁP DÙNG HÓA CHẤT
 Khử sắt bằng chất oxi hóa mạnh
- Các chất oxi hoá mạnh thường sử dụng ñể khử sắt là:
Cl
2
, KMnO
4
, O
3
…
- PTPƯ:
2Fe
2+
+ Cl
2
+ 6H
2
O = 2Fe(OH)
3
+ Cl
-
+ 6H
+
3Fe
2+
+ KMnO
4
+ 7H
2

O = 3Fe(OH)
3
+ MnO
2
+ K
+
+ 5H
+
- Trong phản ứng, ñể oxi hoá 1mg Fe
2+
cần 0,64 mg Cl
2
hoặc 0,94mg KMnO
4
, kiềm của nước giảm ñi
0,018mgñl/l.
- Dùng chất oxi hoá mạnh phản ứng xảy ra nhanh hơn,
pH môi trường thấp hơn (pH<6) pp làm thoáng.
KHỬ SẮT BẰNG PHƯƠNG
PHÁP DÙNG HÓA CHẤT
 Khử sắt bằng vôi:
- Khử sắt bằng vôi thường kết hợp với quá trình làm
ổn ñịnh nước hoặc làm mềm nước
- Quá trình khử sắt bằng vôi xảy ra theo 2 trường
hợp:
+ Trường hợp nước có oxi hòa tan:
4Fe(HCO
3
)
2

+ O
2
+ 2H
2
O + 4Ca(OH)
2
=> 4Fe(OH)
3
+ 4Ca(HCO
3
)
2
+ Trường hợp nước không có oxi hòa tan:
Fe(HCO
3
)
2
+ Ca(OH)
2
=> FeCO
3
+ CaCO
3
+ H
2
O
CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT KHÁC
 Khử sắt bằng trao ñổi cation
- Cho nước ñi qua lớp vật liệu lọc có khả
băng trao ñổi iôn. Các ion H

+
và Na
+
có
trong vật liệu lọc sẽ trao ñổi với ion Fe
2+
có trong nước:
2[K]Na + Fe(HCO
3
)
2
=> [K]
2
Fe + 2NaHCO
3
2[K]H + Fe(HCO
3
)
2
=> [K]
2
Fe + H
2
CO
3
- Cation ñược tái sinh bằng HCl, NaCl
HCl + [K]
2
Fe => [K]H + FeCl
2

NaCl + [K]
2
Fe => [K]Na + FeCl
2
CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT KHÁC
 Khử sắt bằng ñiện phân:
 Khử sắt bằng vi sinh vật
 Khử sắt ngay trong lòng ñất
SỰ BIẾN ðỔI THÀNH PHẦN, TÍNH
CHẤT CỦA NƯỚC KHI KHỬ SẮT
 Sự biến ñổi pH:
- Quá trình chuyển Fe
2+
=> Fe
3+
làm giảm pH
của nước
- pH thấp quá trình trên xảy ra chậm
- ðiều kiện: pH = 7-7,5. nếu pH < 7 thì sẽ
không khử hết sắt trong nước
- Nâng pH lên bằng cách kiềm hóa nước và
tăng hiệu quả ñuổi CO
2
ra khỏi nước.
SỰ BIẾN ðỔI THÀNH PHẦN, TÍNH
CHẤT CỦA NƯỚC KHI KHỬ SẮT
 ðộ kiềm của nước:
- ðộ kiềm của nước có ảnh hưởng trực tiếp ñến quá trình khử sắt
và có liên hệ trực tiếp với ñộ PH của nước
- ðộ kiềm càng lớn, lượng CO

2
tự do trong nước càng nhỏ thì
ñộ pH của nước càng cao.
- ðộ kiềm trong nước cao là do trong nước có nhiều muối
bicacbônat, các muối này không bền vững, dễ dàng tách ra CO
2
tự do.
- ðể oxi hóa và thủy phân 1mg Fe
2+
thì tiêu thụ 0,143 mg O
2
ñồng
thời làm tăng 1,60 mg CO
2
và ñộ kiềm giảm 0,036 mgñ/l.
- ðộ kiềm của nước sau khi khử sắt:
Ki = Ki
0
– 0,036 CFe
0
2+
mgñl/l
Trong ñó:
Ki
o
: ñộ kiềm ban ñầu của nước nguồn (mgñl/l)
CFe
0
2+
: hàm lượng sắt của nước nguồn (mg/l)

SỰ BIẾN ðỔI THÀNH PHẦN, TÍNH
CHẤT CỦA NƯỚC KHI KHỬ SẮT
 Hàm lượng CO
2
tự do trong nước
- Quá trình khử sắt sẽ tạo thành CO
2
tự
do, quá trình làm thoáng phần lớn CO
2
tự
do sẽ giải phóng.
- Hàm lượng CO
2
còn lại trong nước sau
làm thoáng xác ñịnh theo công thức:
C
(CO2)
= C
(CO2)
(1-a) + 1,6.CFe
0
2+
(mg/l)
C
(CO2)
0: hàm lượng CO
2
của nước nguồn
a: hiệu quả khử CO

2
cả công trình làm thoáng
SỰ BIẾN ðỔI THÀNH PHẦN, TÍNH
CHẤT CỦA NƯỚC KHI KHỬ SẮT
Phun mưa trực tiếp trên bể lọc: a = 0,3 – 0,35(ứng
với chiều cao phun mưa ≥ 1m, cường ñộ tưới ≤ 10
m
3
/m
2
-h)
Làm thoáng bằng giàn mưa: a = 0,75 – 0,8 (lượng
CO2 sau làm thoáng ≥ 5-6mg/l)
Làm thoáng cưỡng bức (lượng CO2 sau làm
thoáng ≥ 3-4mg/l
Khi có Ki và C
(CO2)
ta suy ra pH (dựa vào biểu ñồ 5-
1)
Nếu pH < 6,8 thì không sử dụng phương pháp khử
sắt làm thoáng ñộc lập (pha vôi, Cl, lọc, xúc tác)
LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP
KHỬ SẮT
 Thí nghiệm xác ñịnh khả năng khử sắt bằng làm
thoáng ñơn giản và lọc.
- Mô hình: Ống lọc bằng thủy tinh hay nhựa trong (d
≥ 50mm), bên trong ñổ cát dày 1m (d=0,8-1,8mm)
- Thí nghiệm: ðưa nước vào ống nghiệm ñến ñộ
cao cách ống lọc 0,4m. Tốc ñộ lọc 6-8m/h trong 10
ngày. Lấy mẫu nước phân tích hàng ngày. Nếu

sau 10 ngày hàm lượng sắt chưa ñạt yêu cầu =>
lọc với tốc ñộ 5m/h trong 1 tuần nữa nếu k ñạt yêu
cầu => pp làm thoáng k hiệu quả
LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT
 Thí nghiệm xác ñịnh khử sắt bằng làm thoáng – lắng
tiếp xúc – lọc.
- Mô hình: Dùng các chậu ñục lỗ làm giàn mưa:
+ chậu 1:d=100mm; khoan 100 lỗ ở ñáy, d
lo
= 0,5mm
+ Chậu 2: d=150mm, khoan 225 lỗ, d
lo
= 0,5mm
+ Chậu 3: Không khoan lỗ, có ñường kính lớn nhất
- Tiến trình: lấy 5l nước giếng ñổ vào chậu 1, cường ñộ
tưới: 10m
3
/m
2
– h => chậu 2 => chậu 3( ñể 30p lọc qua
ống lọc với tốc ñộ 5m/h=> phân tích mẫu nước sau lọc.
- Thay ñổi: cường ñộ tưới, thời gian lắng, tốc ñộ lọc =>
ñiều kiện tối ưu
- Nếu sau nhiều thí nghiệm không ñưa lại hiệu quả => pp
không phù hợp
LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT
 Thí nghiệm xác ñịnh khả năng khử sắt
bằng cách làm thoáng kết hợp với kiềm
hóa:
+ Lấy 5 bình dung tích 2l => ñổ lượng nước

như nhau vào các bình => cho vôi vào với
lượng khác nhau, khuấy trong 2h => lọc
như tn1 => chọn mẫu ñạt yêu cầu với
lượng vôi nhỏ nhất
+ Nếu bình có lượng vôi lớn nhất mà pH < 8,3
– 8,4 thì cho thêm vôi vào ñể ñạt pH ñó.
LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP
KHỬ SẮT
 Thí nghiệm xác ñịnh khả năng khử Fe bằng
Cl – lắng tiếp xúc – lọc
tiến hành tương tự thí nghiệm 3 nhưng thay vôi
bằng Cl, thời gian lắng là 45p
CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH LỰA
CHỌN PHƯƠNG PHÁP
 Bước 1:
- Căn cứ vào ñộ kiềm và ñộ pH =>tìm ñược hàm
lượng CO
2
tự do trong nước nguồn + CO
2
sinh ra
từ thủy phân sắt
- 1mg Fe bị thủy phân tạo ra 1,6mg/l CO
2
, ñộ kiềm
giảm ñi 0,036 mgñl/l
- Tính ñược giá trị CO
2
mới và ñộ kiềm mới => pH
mới

- Nếu pH ≥ 6,8; ñộ kiềm ≥ 1mgñl/l thì áp dụng pp làm
thoáng ñơn giản. Nếu k ñạt => sang bước 2
CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH LỰA
CHỌN PHƯƠNG PHÁP
 Bước 2:
- Lấy 25% CO
2
và ñộ kiềm tính ñược => giá
trị pH
- Nếu pH ≥ 6,8; ñộ kiềm ≥ 1mgñl/l thì áp
dụng pp làm thoáng tự nhiên bằng giàn
mưa ñể khử sắt
- Nếu không ñạt thì sang bước 3
CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH LỰA
CHỌN PHƯƠNG PHÁP
 Bước 3:
- Lấy 15% lượng CO2 và lượng kiềm tính ñược =>
pH
- Nếu pH ≥ 6,8; ñộ kiềm ≥ 1mgñl/l thì áp dụng pp
khử sắt bằng làm thoáng cưỡng bức
- Nếu không ñạt thì xây dượng thêm 1 bể lọc xúc
tác trước bể lọc trong
- Nếu làm thoáng không ñạt thì phải dùng hóa
chất
CÔNG NGHỆ KHỬ SẮT
TRONG NƯỚC NGẦM
 Công nghệ khử sắt bằng làm thoáng:
- Sơ ñồ 1: làm thoáng ñơn giản và lọc:
+ Làm thoáng bằng giàn ống khoan lỗ: giàn phân
phối các ống dạng hình xương cá có ñục lỗ, d

lo
= 5
– 7mm, h≥ 0,6m, v= 1,5-2m/s, cường ñộ mưa ≤
10m3/m2-h
+ Làm thoáng bằng hệ thống 2 máng tràn:v= 0,4 –
0,8m/s, h≥ 0,6m. nước từ máng 1 sang 2 qua hệ
thống răng cưa
- Bể lọc nhanh:(tương tự bể lọc nhanh phổ thông):
chiều dày vật liệu lọc: 1-1,2m; v=7-10m/h