Cấp thoát nước - Chương 3 pdf

1
Chng 3.
X Lí ST V MANGAN
3.1. Trạng thái tồn tại của sắt
trong nớc thiên nhiên
* Quặng sắt: Quặng sắt đỏ (Gematit) Fe
2
O
3
, Mactit Fe
3
O
4
,
Quặng sắt nâu Fe(OH)
2
, FeCO
3
* Nớc ngầm: Sắt tồn tại dới dạng ion Fe
2+
của các muối
Fe(HCO
3
)
2
(khi không có oxi), ngoài ra còn có FeS, FeSO
4
,
FeCl
2

* Nớc mặt: Trong nớc mặt, sắt có thể tồn tại ở dạng ion hoá trị
3 hoặc dới dạng các phức chất sắt, các hợp chật hữu cơ và vô cơ
của sắt ở thể keo và thể hạt phân tán lơ lửng
* Với hàm lợng sắt cao, nớc có vị tanh và tạo ra cặn bẩn màu
vàng, ảnh hởng đến chất lợng nớc cấp cho sinh hoạt và công
nghiệp. Do vậy cần tiến hành khử bỏ để giảm hàm lợng sắt trong
nớc đến giới hạn cho phép trớc khi sử dụng.
2
Dạng tồn tại của sắt phụ thuộc chủ yếu vào điện thế oxy hoá khử
của nớc và độ pH
Fe
2+
bền vững trong dung dịch khi có mặt của CO
2
tự do và không
có chất oxy hoá.
Có chất oxy hoá: Fe
2+
đợc oxy hoá thành Fe
3+
, thuỷ phân, keo tụ
rồi lắng xuống dới dạng Fe(OH)
3
Fe
2+
+ 2HCO
3
-
+ H
2

O Fe(OH)
2
(ít tan) + H
2
CO
3
và 1 loạt các hợp chất trung gian :
Fe(HCO
3
)
2
, Fe(OH)
2
, Fe
2+
, Fe(OH)
+

4Fe(OH)
2
+ O
2
+ 2H
2
O 4Fe(OH)
3
. Khi pH 6.8: sẽ thuỷ phân
và tạo cặn lắng + các hợp chất trung gian : Fe(OH)++ & Fe(OH)2+
Độ hoà tan của các hợp chất sắt rất quan trọng trong xử lý sắt, liên
quan đến quá trình thuỷ phân.

Các phơng trình phân ly:
Fe(OH)
+
Fe
2+
+ OH
-
Fe(OH)
2
Fe(OH)
+
+ OH
-
Fe(OH)
3
-
Fe(OH)
2
+ OH
-
Fe(OH)
4
2-
Fe(OH)
3
-
+ OH
-
Tổng các ion sắt II & các sản phẩm thuỷ phân trong nớc :
Fe(II) = [Fe

2+
] + [Fe(OH)
+
]+ [Fe(OH)
2
] + [Fe(OH)
3
-
] + [Fe(OH)
4
2-
]
3
Sắt chỉ hoà tan ở pH thấp : pH >3.5. Nồng độ Fe
3+
ở trạng
thái hoà tan < 0.5mg/l.
pH=4: nớc có thể chứa 0.05 mg/l Fe(OH)
3
pH, nớc có thể chứa 0.001 mg/l Fe(OH)
3
( rất ít tan)
pH càng cao, Fe
2+
càng dễ bị oxi hoá, với thế năng oxi hoá
khử cần thiết càng bé.
pH<4,5, sắt tồn tại trong nớc dới dạng các ion Fe
3+
, Fe
2+

.
pH tăng, Fe
2+
oxi hoá thành Fe
3+
dạng Fe(OH)
3
kết tủa với
E
h
<0,2V và có S
2-
trong nớc tạo kết tủa đen FeS.
Nếu cùng một giá trị pH, E
h
càng cao thì càng dễ oxi hoá sắt.
Đa chất oxi hoá mạnh vào, ví dụ: Cl
2
với E
h
o
=1,36V, làm
cho E
h
cao lên.
Trong môi trờng khử, với sự có mặt của các
cacbonat và pH>8,4, có thể tạo FeCO
3
kết tủa.
Nớc ngầm có ORP 0, pH<7,5 nên Fe

2+
luôn ở trạng thái hoà tan và không bị oxi hoá.
Nớc có sắt có vị tanh, tạo cặn vàng, sinh
bệnh.
TCVN: 0,5mg/l cho nớc sinh hoạt.
4
Fe(OH)
3
FeS
FeCO
3
Fe(OH)
2
Đờng cân
bằng E - pH
Miền
thờng gặp
của nớc
thiên nhiên
Nớc mặt: Fe(OH)
3
ở dạng keo.
Nếu trong nớc có các Axit Humic C
6
H
52
O
24
(COOH)
4

(nớc
mặt), sắt tạo ra hợp chất keo hoà tan bằng cách đẩy nguyên tử
Hydrro ra khỏi phân tử axit:
R- CO O Fe O CO - R (R-COOH: Phân tử axit Humic)
Tính bền vững của keo sắt tăng lên nhờ sự bảo vệ của các chất
(làm cho keo trở lên dính ớt háo nớc) có thể phá vỡ hệ
keo này chuyển hợp chất sắt thành dạng cặn bằng các chất
oxy hoá mạnh (tiêu diệt keo bảo vệ) hay bằng sự phân huỷ
của các vi khuẩn.
5
3.2. Các phơng pháp xử lý sắt
Các phơng pháp xử lý sắt đang đợc áp dụng:
+ Phơng pháp oxy hoá sắt bằng oxy không khí
+ Phơng pháp oxy hoá sắt bằng hoá chất
+ Một số phơng pháp khác
3.2.1. oxy hoá sắt bằng oxy không khí
Bản chất của phơng pháp là sự oxy hoá sắt (II) hydroxit
sắt (III) hydroxit, kết tủa thành các bông cặn màu vàng và dễ dàng
tách ra khỏi nớc:
Fe(HCO
3
)
2
+ 2H
2
O Fe(OH)
2
+ 2H
2
CO

3
H
2
O + CO
2
H
2
CO
3
H
+
+ HCO
3
-
Fe(OH)
2
+ 2H
2
O + O
2
4Fe(OH)
3

+ Tốc độ của phản ứng oxy hoá có thể biểu thị theo định luật tác
dụng khối lợng:
dFe
+
dt
[O
2

][Fe
2+
]
[H
+
]
2
=
K-
6
3.2.1. oxy hoá sắt bằng oxy không khí
+ Theo công thức trên tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào hàm lợng
ion H
+
đợc giải phóng. Tuy nhiên, nớc ngầm thờng chứa ion HCO
3
-
nh vậy ta có thể coi nồng độ ion H
+
trong nớc là không đổi. Tích
phân phơng trình trên ta đợc:
[Fe
2+
] = [Fe
2+
]
o
e

[Fe

2+
]
o
hàm lợng sắt (II) trong nớc ngầm;

[Fe
2+
] hàm lợng sắt (II) trong nớc sau thời gian phản ứng t;

[O
2
] hàm lợng oxy hoà tan trong nớc;

[H
+
] hàm lợng ion H
+
;

K hằng số tốc độ phản ứng, phụ thuộc vào nhiệt độ và chất xúc tác.
- K
[O
2
]t
[H
+
]
2
4Fe
2+

+ 8HCO
3
+ O
2
+ 2H
2
O 4Fe(OH)
3
+ 8CO
2
(*)
Quá trình chuyển hoá Fe
2+
thành Fe
3+
phụ thuộc pH, O
2
, [Fe2+], CO
2
,
Ki, t
0
, t. . Ngoài ra vận tốc phản ứng còn phụ thuộc E
o
(thế oxi hoá khử
tiêu chuẩn)
Quá trình thuỷ phân sắt tạo H
+
, theo Nguyên lí chuyển dịch Lesaclie,
nếu môi trờng đ có nhiều H

+
thì phản ứng bị kìm hm
Mặt khác, trong nớc có sẵn HCO
3
-
, sẽ tác dụng với H
+
đợc giải phóng
HCO
3
-
+ H
+
H
2
O + CO
2
phải đuổi CO
2
để tăng E. Phản ứng sẽ xảy ra nhanh hơn khi Ki
0
cao.
Hơn nữa Ki còn cần thiết cho quá trình thuỷ phân Fe
3+
ion thành
Fe(OH)
3
kết tủa
Quá trình đạt hiệu quả cao khi pH6,8. Thậm chí phải nâng pH và Ki
tp

lên sau khi làm thoáng bằng các hợp chất nh: vôi, xôđa, xút
3.2.1. oxy hoá sắt bằng oxy không khí
7
Do nớc ngầm thờng không chứa oxy hoà tan nên để xử lý sắt
chúng ta phải tìm cách tăng nồng độ oxy hoà tan trong nớc ngầm
bằng biện pháp làm thoáng. Hiệu quả của bớc làm thoáng đợc xác
định theo nhu cầu oxy cho quá trình khử sắt:
+ Thế oxy hoá khử cần thiết để oxy hoá Fe
2+
thành Fe
3+
tính theo
công thức:
E
Fe3+/Fe2+
= E
o
+ ln

E
Fe3+/Fe2+
- thế oxy hoá khử của cặp Fe
3+
và Fe
2+
;

C
oxy hoá
- nồng độ của chất oxi hoá [Fe

3+
];

C
khử
nồng độ của chất khử [Fe
2+
];

n số hiện tử trao đổi;

E
o
thế oxy hoá khử tiêu chuẩn.
RT
nF
C
oxy hoá
C
khử
Từ phơng trình trên cho thấy nếu trong dung dịch nồng độ chất
oxy hoá lớn hơn nồng độ chất khử thì muốn đa ion của chất khử
sang chất oxy hoá, ta phải cấp cho dung dịch một thế tiêu chuẩn, vì
(C
oxy hoá
/C
khử
) > 1 dẫn tới lg (C
oxy hoá
/C

khử
) > 0, do đó E > E
o
.
Ngợc lại nếu C
oxy hoá
> C
khử
thì E < E
o
.
8
- Thế oxy hoá khí tiêu chuẩn E
o
có giá trị bằng 0,771V.
- Nếu nồng độ ion Fe
2+
lớn hơn nồng độ ion Fe
3+
10 lần thì để oxy
hoá Fe
2+
thành Fe
3+
cần cấp cho dung dịch một thế oxy hoá có giá trị:
E
Fe3+/Fe2+
= 0,771 + lg = 0,712V
- Nếu nồng độ Fe
2+

lớn hơn Fe
3+
100 lần thì thế oxy hoá khử chỉ cần
là: 0,653V.
Nếu giảm nồng độ ion Fe
3+
bằng việc tạo thành Fe(OH)
3
thì
thế oxy hoá khử cần thiết sẽ giảm đi.
0,059
1
1
10
- Tại nhiệt độ 25
o
C, tích hoà tan của Fe(OH)
3
là:
S
Fe(OH)3
= [Fe
3+
][OH
-
]
3
= 10
-37,2
- Mặt khác ta có: [OH

-
] =
[Fe
3+
] = 10
-37,2
[Fe
3+
] = 10
4,8
[H
+
]
3
E = 0,89 0,177pH 0,059lgf
i
[Fe
2+
]
f
i
- hệ số hoạt hoá (coi nh f
i
= 1).
- Để đảm bảo thì sau khi oxy hoá lợng Fe
2+
còn lại trong nớc là 0,3
mg/l, thay vào công thức trên ta có: E = 1,34 0,177pH (*)
10
-14

[H
+
]
10
-14
[H
+
]
9
Phơng trình (*) cho thấy quá trình khử sắt phụ thuộc rất nhiều
vào pH của nớc. pH càng lớn thì thế oxy hoá khử cần thiết càng bé,
quá trình khử sắt diễn ra càng nhanh. Thờng các nguồn nớc ngầm
có giá trị thế oxy hoá khử gần bằng không, giá trị pH nhỏ hơn 7,5 nên
sắt (II) luôn luôn ở tình trạng hoà tan và không bị oxy hoá.
+ Khi pH nhỏ hơn 4,5 nếu thế oxy hoá - khử trong nớc E lớn hơn 0,8
V thì sắt tồn tại dới dạng ion Fe
3+
và FeOH
2+
+ Nếu thế oxy hoá nhỏ hơn 0,8 V thì sắt tồn tại ở dạng ion Fe
2+
hoà
tan.
+ Nếu trong nớc có sunfua khi thế oxy hoá khử E nhỏ hơn - 0,2V,
pH lớn hơn 4,5 sẽ tạo ra sự lắng đọng FeS.
+ Nếu pH từ 4,5 đến 8; E từ 0,8V đến 0,05 V thì sắt (II) bị oxy hoá
thành sắt (III) và lắng đọng ở dạng cặn Fe(OH)
3
.
+ Khi pH lớn hơn 10,3 trong nớc có lắng đọng cặn Fe(OH)

2
.
Oxy hoà tan trong nớc là chất oxy hoá và làm tăng thế oxy hoá
khử của nớc. Quá trình oxy hoá khử xảy ra nh sau:
O
2
+ 4e + 2H
2
O OH
-
+ Thế oxy hoá khử của phản ứng là:
E = E
o
+ ln
+ Với nớc ở 25
o
C, E
o
= 0,407, thay giá trị lg[OH
-
] = pH 14 vào
phơng trình trên:
E = 1,231 0,059pH + 0,0145lgP
O2
(**)
P
O2
- áp lực riêng phần của oxy hoà tan trong nớc tính bằng
atm. Để tiện tính toán có thể lấy hàm lợng oxy hoà tan trong nớc
tính theo mol/l.

RT
F
(P
O2
)
1/4
[OH
-
]
10
- Trong nớc ngầm ngoài Fe
2+
đôi khi còn chứa các hợp chất của lu
huỳnh dới dạng khí H
2
S hoà tan, ion HS
-
hoặc S
2-
. Các hợp chất này
là các chất khử đối với hệ sắt nên có ảnh hởng rất lớn đến quá trình
oxy hoá sắt. Trong khoảng giá trị của pH từ 6 đến 8, hệ oxy hoá khử
của các hợp chất sunfua có dạng:
S
2-
- 2e S
Thế oxy hoá khử của phơng trình là:
E = E
o
+ lg

- Tại 25
o
C ta có E
o
= - 0,48V. Nếu trong nớc có oxy hoà tan, phản
ứng oxy hoá S
2-
sẽ diễn ra trớc:
2H
2
S + O
2
2S + 2H
2
O
-Nếu trong nớc có chất hữu cơ, một phần oxy hoà tan sẽ tham gia
vào quá trình phân huỷ các chất hữu cơ. Trong trờng hợp này, lợng
oxy hoà tan cần thiết cho mọi phản ứng phải lớn hơn tổng số: Độ oxy
hoá hữu cơ + 0,47H
2
S + 0,15Fe
2+
0,059
1
[S]
S
2-
- Khi trong nớc có mangan và độ pH có giá trị từ 6 đến 8 thì sẽ tồn tại sự cân
bằng oxy hoá khử của mangan:
MnO

2
+ 4H
+
+ 2e Mn
2+
+2H
2
O
Thế oxy hoá khử của hệ là:
E = Eo + lg
+ Tại 25
o
C ta có E
o
= 1,23V, thay E
o
vào phơng trình trên:
E
Mn4+/Mn2+
= 1,23 0,12pH 0,03pH 0,03lg[Mn
2+
]
+ Nếu thế oxy hoá của nớc sau làm thoáng lớn hơn giá trị E
Mn4+/Mn2+
thì ion
Mn
2+
sẽ bị oxy hoá đến Mn
4+
và mangan oxit đợc tạo thành sẽ là chất xúc tác đẩy

mạnh quá trình oxy hoá sắt, do thế tiêu chuẩn E
o
của hệ mangan lớn hơn của hệ sắt.
+ Nếu thế oxy hoá khử của nớc E
O2/H2O
bé hơn E
Mn4+/Mn2+
, thì ion Mn
2+
không bị
oxy hoá thành Mn
2+
. Mangan oxit không đợc tạo thành và sự tồn tại của ion Mn
2+
sẽ không ảnh hởng đến quá trình khử sắt.
0,059
2
[MnO
2
][H
+
]
[Mn
2+
]
11
Bớc 1: Xác định thế oxy hoá khử của nớc sau làm thoáng theo
(*).
- Trờng hợp làm thoáng bằng giàn ma trực tiếp trên mặt bể lọc thì
lợng CO

2
trong nớc coi nh không giảm. Sau làm thoáng thì cứ
1mg/l sắt (II) thuỷ phân sẽ tạo thành 1,6 mg/l CO
2
và giảm 0,036
mđlg/l độ kiềm. Ta có các tơng quan:
C
(CO2)tổng
*
= C
(CO2)
o
+ 1,6 Fe
2+
, mg/l
K
i
*
= K
i
o
0,036 Fe
2+
, mđlg/l
- Trong đó: C
(CO2)
hàm lợng CO
2
của nớc nguồn trớc khi làm
thoáng; K

io
- độ kiềm ban đầu của nớc nguồn; K
i
- độ kiềm của nớc
sau quá trình thuỷ phân sắt.
Chọn quy trình khử sắt bằng làm thoáng
- Sau khi tính đợc CO
2
và K
i
, ta sẽ tra biểu đồ để xác định pH của
nớc sau làm thoáng rồi tính thế oxy hoá khử E theo (*).
-Trờng hợp làm thoáng bằng tháp phun ma, lợng CO
2
tự do trong
nớc giảm đi 50%, khi đó:
C
CO2
= 0,5C
(CO2)0
+ 1,6 Fe
2+
, mg/l
K
i
= K
io
0,036 Fe
2+
, mđlg/l

- Nếu làm thoáng cỡng bức, lợng CO
2
trong nớc giảm 80%, ta có:
C
CO2
= 0,2C
(CO2)0
+ 1,6 Fe
2+
, mg/l
Chọn quy trình khử sắt bằng làm thoáng
12
Bớc 2: Xác định thế oxy hoá khử sau làm thoáng theo (**):
E = 1,231 0,059pH + 0,0145lg[O
2
]
-Trờng hợp làm thoáng đơn giản trên bề mặt bể lọc, ta phải tính
đợc lợng oxy cần thiết để khử hết:
+ H
2
S (1mg/l H
2
S cần 0,47 mg/l O
2
);
+ chất hữu cơ tính ra lợng oxy tơng ứng.
+ Fe
2+
(1mg/l Fe
2+

cần 0,143 mg/l O
2
)
lợng oxy còn lại:
C
O2
= C
O2hoà tan
[0,47C
H2S
+ 0,143C
Fe2+
+ Các chất hữu cơ], mg/l.
3.2.1. Phơng pháp oxy hoá sắt
bằng oxy không khí
13
-Trong đó:
- C
H2S
, C
Fe2+
- hàm lợng các chất tơng ứng trong nớc nguồn.
- Đổi lợng oxy còn lại ra mol/l và thay vào (**) để tính thế oxy hoá
khử.
- Với các trờng hợp dùng tháp làm thoáng, sau khi xác định đợc
lợng oxy hoà tan C
O2hoà tan
, thay vào (**) và tính tơng tự nh trên.
3.2.2. Phơng pháp oxy hoá sắt
bằng oxy không khí

Bớc 3: So sánh các giá trị E
Fe3+/Fe2+
yêu cầu và E
O2/H2O
theo tính toán.
- Trờng hợp nào đạt mức: E
O2/H2O
> 3E
Fe3+/Fe2+
thì đợc chọn để thiết kế. Hệ số 3 đợc sử dụng để đáp ứng tốc độ oxy hoá
có thể chấp nhận khi khử săt.
-Theo lý thuyết, thế oxy hoá khử sau khi làm thoáng tính theo (*) hoặc xác
định trực tiếp bằng thực nghiệm mà lớn hơn thế oxy hoá khử yêu cầu tính
theo (*) thì sắt (II) trong nớc sẽ bị oxy hoá thành sắt (III).
- Trong thực tế xử lý nớc mục đích cuối cùng là loại bỏ sắt ra khỏi nớc,
vì vậy tốc độ của quá trình oxy hoá sắt cũng là một yếu tố quan trọng, đó
là điều kiện cơ bản để lựa chọn kiểu cấu tạo các công trình tách cặn sắt sau
làm thoáng. Nếu tốc độ phản ứng chậm, các bông cặn Fe(OH)
3
có thể hình
thành sau khi nớc đ qua các khâu xử lý và lắng đọng trong các đờng
ống phân phối.
3.2.1. Phơng pháp oxy hoá sắt
bằng oxy không khí
14
* Khi trong nớc có chất hữu cơ, các tổ hợp chất hữu cơ tạo thành
keo bảo vệ của ion sắt, chúng ngăn cản quá trình thuỷ phân và oxy
hoá sắt. Trong nhiều trờng hợp, muốn xử lý sắt trớc hết phải phá
vỡ màng bảo vệ hữu cơ bằng tác dụng của các chất oxy hoá mạnh.
Đối với nớc ngầm khi hàm lợng sắt quá cao đồng thời tồn tại

H
2
S thì lợng oxy thu đợc bằng làm thoáng không đủ để oxy hoá
hoàn toàn H
2
S và sắt, trong trờng hợp này cần dùng hoá chất để
xử lý sắt. Các phơng pháp dùng hoá chất để xử lý sắt gồm có:
- Xử lý sắt bằng vôi.
- Xử lý sắt bằng Clo.
- Xử lý sắt bằng kali permanganat (KMnO4)
3.2.2. Xử lý sắt bằng hoá chất
Xử lý sắt bằng vôi: Biện pháp này có thể áp dụng cho cả nớc mặt lẫn nớc
ngầm. Song do thiết bị pha chế vôi cồng kềnh, viêc quản lý phức tạp nên trong thực
tế chỉ áp dụng khi tiến hành xử lý sắt đồng thời với quá trình xử lý khác nh ổn
định nớc bằng kiềm hoá, làm mềm nớc bằng vôi và soda.
- Khi cho vôi vào nớc pH của nớc tăng lên. Trong điều kiện giàu ion OH
-
, các
ion Fe
2+
thuỷ phân nhanh chóng thành Fe(OH)
2
và lắng xuống một phần. Lúc này
thế oxy hoá khử tiêu chuẩn của hệ Fe(OH)
2
/Fe(OH)
3
giảm xuống, do đó sắt (II) dễ
dàng chuyển hoá thành sắt (III) trong quá trình oxy hoá. Sắt (III) hydroxit kết tụ
thành bông cặn lớn dễ lắng trong bể lắng và bị giữ lại hoàn toàn trong bể lọc.

+ Liều lợng vôi cần thiết để xử lý nớc ngầm tính theo ml/l:
[CaO] = 0,8[CO
2
] + 1,8[Fe] hoặc có thể tính theo công thức:
[CaO] = 0,65[CO
2
] + 1,6[Fe]
Trong đó: [CO
2
] hàm lợng CO
2
tự do trong nớc nguồn, mg/l;
[Fe] tổng hàm lợng sắt trong nớc, mg/l.
3.2.2. Xử lý sắt bằng hoá chất
15
+ Liều lợng vôi cần thiết để xử lý nớc mặt tính theo ml/l:
a. Khi không sử dụng phèn:
[CaO] = 28([Fe
2+
]/28 + [CO
2
]
tự do
/22)
b. Khi có sử dụng phèn
[CaO] = 28([Fe
2+
]/28 + [CO
2
]

tự do
/22 + D
o
/e
o
)
Trong đó: [CO
2
] hàm lợng CO
2
tự do trong nớc nguồn, mg/l;
[Fe] tổng hàm lợng sắt trong nớc, mg/l.
+ Một số trờng hợp phải làm thoáng kết hợp kiềm hoá vì làm
thoáng trớc để loại bớt CO
2
, tiết kiệm vôi đa vào xử lý.
3.2.2. Xử lý sắt bằng hoá chất
* Bản chất của phơng pháp này là làm tăng E
h
của môi trờng để chuyển hoá
Fe
2+
thành Fe
3+
trong điều kiện E
h
lớn hơn giá trị tính toán theo công thức (*)
Xử lý sắt bằng clo: Quá trình oxy hoá khử sẽ diễn ra nh sau:
Cl
2

+ 2e 2Cl
-
thế oxy hoá khử tiêu chuẩn của quá trình này là: Eo = 1,36V.
- Khi cho clo vào nớc, clo sẽ oxy hoá sắt (II) thành sắt (III)
2Fe(HCO
3
)
2
+ Cl
2
+ Ca(HCO
3
)
2
+ 6H
2
O 2Fe(OH)
3
+ CaCl
2
+ 6H
+
+ 6HCO
3
- Tốc độ oxy hoá của phản ứng:
- Để oxy hoá 1mg Fe
2+
cần 0,64mg Cl
2
và độ kiềm của nớc giảm đi 0,018mđlg/l.

- Từ phơng trình trên ta thấy tốc độ oxy hoá sắt bằng clo tăng nhanh khi giảm
nồng độ ion H
+
hay tăng pH của nớc. Tuy nhiên do clo là chất oxy hoá mạnh (E
o
=
1,36V) nên phản ứng oxy hoá sắt vẫn xảy ra nhanh khi pH lớn hơn hoặc bằng 5.
3.2.2. Xử lý sắt bằng hoá chất chất
oxy hoá
dFe
+
dt
[Cl]
1/2
[Fe
2+
]
[Cl
-
][H
+
]
3
=
K-
16
- Khi trong nớc có muối hoà tan của các hợp chất amoni, clo tự do trong nớc kết
hợp với chúng thành cloramin E
o
= 0,76V, bằng một nửa thế oxy hoá khử của clo, vì

vậy quá trình oxy hoá bị chậm lại. Với giá trị pH của nớc băng 7, quá trình oxy hoá
sắt (II) bằng cloramin kết thúc sau 60 phút. Vì vậy nếu phát hiện trong nớc có muối
hoà tan của các hợp chất amoni với nồng độ đáng kể thì việc oxy hoá bằng clo là
không có lợi.
- Đồng thời với việc xử lý sắt bằng clo, các chất hữu cơ cũng đợc khử sẽ tăng lên.
Liều lợng clo bổ sung để khử hữu cơ bằng:
Cl
2
= a[O
2
], mg/l
[O
2
] - độ oxy hoá bằng kali permanganat của muối tính chuyển ra oxy.
+ Đối với nớc ngầm: a = 0,5
+ Đối với nớc mặt: a = 2,25
* Clo có thể đa vào nớc bằng hệ thống ống phân phối: Là hệ thống ống đục lỗ
làm sao phải đảm bảo độ phân tán đều và thời gian tiếp xúc của hoá chất với nớc.
3.2.3. Xử lý sắt bằng hoá chất
Xử lý sắt bằng kali permanganat (KMnO
4
)
- Khi dùng KMnO
4
quá trình xử lý sắt kết thúc rất nhanh vì mangan (IV) hydroxit
vừa đợc tạo thành lại là nhân tố xác tác cho quá trình xử lý sắt. Phản ứng oxy hoá
khử của hệ KMnO
4
và sắt diễn ra theo phơng trình sau:
5Fe

2+
+ MnO
4
-
+ 8H
+
5Fe
3+
+ Mn
2+
+ 4H
2
O
+ Thế tiêu chuẩn của cặp:
(MnO
4
-
+ 8H
+
)/( Mn
2+
+ 4H
2
O) là E
o
= 1,51V và của Fe
3+
/Fe
2+
là E

o
= 0,77V
+ Ta có hệ số cân bằng của phơng trình là:
K = = 10
63,5
- Từ biểu thức trên cho thấy nồng độ ion do phản ứng tạo ra lớn hơn rất nhiều lần
(10
63,5
) nồng độ các ion bị oxy hoá. Trong quá trình xử lý sắt, các ion Fe
3+
đợc tạo
thành sẽ thuỷ phân và tạo bông cặn ngay nên nồng độ ion Fe
3+
trong nớc còn không
đáng kể. Do đó phản ứng oxy hoá khử sắt là phản ứng không thuận nghịch, xảy ra
nhanh và triệt để.
+ Để xử lý hết 1mg/l Fe
2+
cần 0,564 mg KMnO
4
.
3.2.2. Xử lý sắt bằng hoá chất
[Mn
2+
][Fe
3+
]
5
[MnO
4

-
][Fe
2+
]
5
[H
+
]
8
17
Phơng pháp trao đổi ion
* Nguyên tắc: Cho nớc chứa sắt lọc qua lớp vật liệu lọc đặc biệt, các cation của
sắt tham gia quá trình trao đổi với các cation có trong thành phần của vật liệu lọc
(cationit), đợc giữ lại trong lớp vật liệu lọc và nh vậy nớc đợc làm sạch.
- Khi trong nớc có sắt, lọc qua cationit sẽ xảy ra quá trình:
2[K]-Na + Fe(HCO
3
)
2
[K
2
]-Fe + 2NaHCO
3
2[K]-Na + FeCl
2
[K
2
]-Fe + 2NaCl
2[K]-Na + FeSO
4

[K
2
]-Fe + Na
2
SO
4
- Các ion Fe
2+
thay thế Na
+
đợc giữ lai xuất hiện một lợng ion dơng khác
bằng lợng ion Fe
2+
- Sau một thời gian làm việc cần phục hồi khả năng lọc của cationit bằng cách:
+ [K2]-Fe + 2NaCl 2[K]-Na + FeCl
2
+ hoặc dung dịch axit đối với [K]-H nh: HCl, H
2
SO
4
.
- Phơng pháp này có hiệu suất cao nhng giá thành đắt. Nguyên vật liệu phải
nhập. Thờng xử lí nớc kết hợp làm mềm để cấp nớc cho: Khách sạn, bênh viện
3.2.3. các phơng pháp khác
Phơng pháp trao đổi ion
Lọc qua Kationit Na hoặc H:
Fe
3+
> Al
3+

> Ca
2+
> Mg
2+
> Ba
2+
> NH
4
+
> K
+
> Na
+
2[K]-Na + Fe(HCO
3
)
2
[K
2
]-Fe + 2NaHCO
3
2[K]-Na + FeCl
2
[K
2
]-Fe + 2NaCl
2[K]-Na + FeSO
4
[K
2

]-Fe + Na
2
SO
4
2[K]-H+Fe(HCO
3
)
2
[K
2
]-Fe +H
2
O + CO
2
2[K]-H+FeCl
2
[K
2
]-Fe + 2HCl
2[K]-H+FeSO
4
[K
2
]-Fe +H
2
SO
4
Hoàn nguyên: NaCl (cho Na-Kationit),
HCl, H
2

SO
4
(cho H-Kationit).
[K
2
]-Fe+ 2NaCl 2[K]-Na + FeCl
2
[K
2
]-Fe + HCl 2[K]-H + FeCl
2
18
Điện phân
+ Điện cực âm bằng sắt, nhôm
+ Điện cực dơng bằng đồng, bạch kim, đồng mạ kẽm
Phơng pháp vi sinh vật
- Luôn xuất hiện một số loài vi khuẩn sất trong các công trình khử sắt (bể lọc) dù
bể lọc đợc thổi rửa thờng xuyên
- Vi khuẩn xúc tiến cho sự oxi hoá và nhanh của Fe/Mn trong lớp vật liệu lọc-
tơng đơng việc sử dụng chất xúc tác hay chất oxi hoá/keo tụ bằng hoá học.
- Hiện nay: cha đánh giá đợc chính xác vai trò của vi khuẩn đối với việc khử sắt
Cha có một công trình hoàn toàn khử sắt bằng các vi sinh vật.
Điện keo tụ
Tuyển nổi hoá chất
Đa nớc đ oxi hoá (làm giàu oxi)vào lòng đất
*Khử sắt trong nớc mặt:
Kết hợp đồng thời khử sắt, làm trong và khử màu.
Clo hoá sơ bộ

Keo tụ

Lắng (Lắng trong, Lọc tiếp xúc)

Lọc
3.2.3. các phơng pháp khác
3.2.4. Sự biến đổi thành phần, tính chất
của nớc khi khử sắt:
* pH:
pH có ảnh hởng lớn đến quá trình khử sắt.
pHo thấp: quá trình oxi hoá Fe
2+
và thủy phân Fe
3+
xảy ra rất
chậm.
Nếu Fe(HCO
3
)
2
cao, lợng CO
2
thoát ra khi oxi hoá Fe
2+
thành Fe
3+
và thuỷ phân Fe(OH)
3
lớn, pH sẽ giảm, E giảm do
đó phải đuổi CO
2

ra khỏi nớc nhờ công trình làm thoáng.
Do CO
2
trong không khí thấp nên giàn ma/ thùng quạt gió
vừa cung cấp O
2
, vừa đuổi đợc CO
2
vào không khí.
pH tốt: 7-7,5, giải pháp: kiềm hoá hoặc đuổi CO
2
làm thời
gian tiếp xúc giảm, do đó giảm khối tính công trình.
19
* Ki:
Có ảnh hởng trực tiếp đến quá trình khử sắt, liên
quan mật thiết với pH.
(Ki tăng, CO
2
tự do thấp nên pH tăng)
Độ kiềm Ki cao: do trong nớc có nhiều muối
bicacbonat, các muối này lại không bền dễ tạo CO
2
bay lên: đuổi CO
2
thì pH tăng.
Để oxi hoá 1 mg Fe
2+
, cần 1,143 mg O
2

,
độ kiềm Ki giảm 0,036 mgđl và CO
2
tăng 1,57mg:
Tính pH*, Ki* sau khi làm thoáng và thuỷ phân sắt:
Ki
tp
*= Ki
0
- 0,036 .[Fe
2+
].
CO
2
*=(1-a).CO
2
0
+1,57.[Fe
2+
], mg/l
Hoặc CO
2
đợc xác định theo biểu đồ từ Ki*, pH*, P, t
0
:
pH lấy 7-7,5; Ki*=Ki
0
- 0,036
a: kể đến hiệu quả khử CO
2

trong các công trình làm thoáng
Theo TCXD 33-85
Dàn ma (0,5-0,6): a=0,75-0,8; CO
2
3-4mg/l
Sục khí trên quạt gió (0,8): a=0,85-0,9; CO
2
3-4mg/l 5-6
mg/l
Làm thoáng trực tiếp trên mặt bể lọc: a=0,3-0,35
20
Từ Ki*, CO
2
*, P, t
0
tra biểu đồ suy ra pH* để có thể
kiềm hoá nh thế nào.
Khi pH* 6,8 và Ki
tp
2 thì phải kiềm hoá, lợng
kiềm (vôi) cần đa vào nớc:
L
K
(CaO)=0,64.[Fe
2+
]
+3
, mg/l ()
Khi đó:
Ki*

tp
=Ki
0
-0,036 .[Fe
2+
]+ L
K
/e
K
CO
2
*=(1-a).CO
2
0
+1,57.[Fe
2+
]-44 L
K
/e
K
tra biểu đồ đợc pH*, kiểm tra điều kiện theo TCN
Hàm lợng cặn lơ lửng:
C*
max
= C
o
max
+1,92[Fe
2+
], mg/l.

Tóm lại
Tra Biều đồ
Từ Ki*, CO
2
*, P, t
0
tra biểu đồ suy ra pH* để xem có cần
kiềm hoá không.
Khi pH* 6,8 và Ki
tp
2 thì phải kiềm hoá, lợng kiềm
(vôi) cần đa vào nớc:
L
K
(CaO)=0,64.[Fe
2+
] + 3 , mg/l ()
Khi đó:
Ki
tp
* = Ki
0
- 0,036 .[Fe
2+
]+ L
K
/e
K
CO
2

*=(1-a).CO
2
0
+1,57.[Fe
2+
] - 44 L
K
/e
K
tra biểu đồ đợc pH*, kiểm tra điều kiện theo TCN
Hàm lợng cặn lơ lửng:
C*
max
= C
o
max
+ 1,92[Fe
2+
], mg/l.
21
3.3. Khử mangan trong nớc
1. Oxi hoá (bằng O
2
, KMnO
4
, Cl
2
, O
3
), chuyển Mn

2+
thành
Mn
3+
, Mn
4+
ở dạng Mn(OH)
3
và Mn(OH)
4
không tan, (đôi
khi cả dạng Mn
6+
). Tách ra khỏi nớc bằng phơng pháp lọc.
Mn(OH)
2
+ O
2
Mn
2
O
3
+ H
2
O
Mn
2
O
3
+0,5 O

2
+ 4 H
2
O 2 Mn(OH)
4
(Phải có đủ O
2
và pH 8,5 ~ 9,5)
2. Lọc xúc tác (Zeolit, Dioxit Mangan, ).
3. Kết hợp với làm mềm nớc bằng Vôi, Xô đa.
4. Trao đổi ion (H-Kationit, Na-Kationit)
5. Phơng pháp sinh học
+ v.v.
- Mangan thờng tồn tại song song với sắt ở dạng ion hoá trị hai trong nớc ngầm và
dạng keo hữu cơ trong nớc mặn. Do vậy việc xử lý mangan thờng đợc tiến hành
đông thời với xử lý sắt.
- Mangan (II) hoà tan khi bị oxy hoá sẽ chuyển dần thành mangan (III) và (IV) ở
dạng hydroxit kết tủa, quá trình oxy hoá diễn ra nh sau:
2Mn(HCO
3
)
2
+ O
2
+ 6H
2
O 2Mn(OH)
4
+ 4H
+

+ 4HCO
3
-
- Theo phơng trình ta thấy là quá trình xử lý mangan phụ thuộc vào pH của nớc.
pH càng cao (tức nồng độ ion H
+
càng thấp) thì tốc độ oxy hoá và thuỷ phân mangan
càng lớn. Nh vậy quá trình oxy hoá mangan sẽ đạt hiệu quả cao nhất ở một giá trị
pH nào đó. Xét phơng trình biểu diễn thế oxy hoá mangan.
E
Mn4+/Mn2+
= 1,23 0,12pH 0,03lga
Mn2+
Trong đó: a
Mn2+
- hoạt độ của ion Mn
2+
trong nớc.
a
Mn2+
= f
Mn2+
.C
Mn2+
f
Mn2+
- hệ số hoạt độ; C
Mn2+
- nồng độ của ion Mn
2+

trong nớc
3.3. Khử mangan trong nớc
22
- Trong môi trờng nớc, hệ số hoạt độ f
Mn2+
thờng có giá trị 0,6.
Nếu muốn giảm hàm lợng mangan xuống còn 0,2mg/l theo tiêu
chuẩn vệ sinh, ta có:
a
Mn2+
= 0,6.0,2 mg/l
Thế oxy hoá khử cần thiết sẽ là:
E
Mn4+/Mn2+
= 1,23 0,12pH 0,03lg2,2.10
-6
= 1,29 - 0,12pH
- Trong thực tế, sau làm thoáng quá trình oxy hoá diễn ra ngay với các
chất dễ bị oxy hoá, do vậy đến mangan thế oxy hoá khử của nớc
thờng chỉ còn lại khoảng 0,2V. Thay vào phơng trình trên ta thấy
rằng để đa hàm lợng mangan xuống đến 0,2 mg/l, pH của nớc phải
có giá trị xấp xỉ 9.
- Kết quả thực nghiệm cho thấy khi pH < 8 và không có chất xúc tác
thì quá trình oxy hoá mangan (II) thành mangan (IV) diễn ra rất chậm.
Độ pH tối u thờng trong khoảng từ 8,5 đến 9,5.
3.3. Khử mangan trong nớc
- Quy trình xử lý mangan cơ bản cũng bao gồm các khâu làm
thoáng, lắng và lọc. Trong quá trình lọc, đợc phủ dần một lớp
mangan hydroxit Mn(OH)
4

tích điện âm, lớp Mn(OH)
4
có tác dụng
nh chất xúc tác theo phơng trình:
Mn(OH)
4
+ Mn(OH)
2
2Mn(OH)
3
Mn(OH)
3
+ O
2
+ 2H
2
O 4Mn(OH)
4
- Lớp phủ Mn(OH)
4
mới tạo thành lại tham gia vào phản ứng mới và
cứ nh vậy tạo ra một chu trình phản ứng liên tục. Nh vậy hiệu quả
khử mangan lại phụ thuộc vào lớp phủ Mn(OH)
4
do chính bản thân
quá trình khử tạo ra trên bề mặt hạt cát lọc.
3.3. Khử mangan trong nớc
23
- Để oxy hoá 1mg Mn
2+

cần 1,35 mg ClO
2
hay 1,45 mg O
2
. Nếu
trong nớc có các hợp chất amoni thì quá trình oxy hoá Mn
2+
bằng clo
chỉ bắt đầu sau khi clo kết hợp với amoni thành cloramin và trong
nớc còn d clo tự do. Kali permanganat oxy hoá Mn
2+
ở mọi dạng
tồn tại (kể cả dạng keo, hu cơ) thành Mn(OH)
4
.
- Phơng pháp sinh học, sử dụng vật liệu lọc đ đợc cấy trên bề
mặt một loại vi khuẩn có khả năng hấp thụ mangan trong quá trình
sinh trởng. Xác vi khuẩn chết sẽ tạo ra trên bề mặt hạt vật liệu lọc
một màng mangan oxit, có tác dụng nh chất xúc tác trong quá trình
khử mangan.
3.3. Khử mangan trong nớc
Xử lí có xúc tác: Làm thoáng, tiếp xúc lắng và lọc (1- 2 lớp). Fe
bị oxi hoá hết mà pH 8, E khử Mn sẽ rất cao, H
vll
1,5m. (vật liệu
lọc 2 lớp: than antraxit và cát)
+ Ưu điểm: Một bể lọc, Mn(OH)
4
tạo ra là xúc tác cho quá
trình tăng E.

+ Nhợc điểm: Rửa lọc rất phức tạp, do rửa cặn sắt (lớp trên)
với vận tốc lớn làm cho lớp xúc tác có thể bị cuốn trôi từ lớp cát dới.
3.3. Khử mangan trong nớc
24
Khắc phục:
Phải xử lí sau khi khử sắt: sử dụng bể lọc 2 lớp hay 2 bậc lọc:
lớp trên giữ Fe, lớp dới giữ Mn.
Dùng bể lọc hai lớp khi:
5[Mn
2+
]+2 [Fe
2+
]5mg/l
Q<50-100m
2
/h
Tốt khi pH=6,5-7,5.
Vật liệu lọc sản xuất bằng cách cho dung dịch FeSO
4
và KMnO
4
chảy qua lớp vật liệu lọc cát thạch anh (tiết kiệm đợc KMnO
4
)
từ dới lên trên.
Để giữ chắc lớp màng Fe(OH)
3
và MnO
2
xung quanh hạt vật liệu

lọc, cần xử lí vật liệu lọc bằng hỗn hợp Na
3
PO
4
hay Na
2
SO
3
: lọc
xuôi (hoàn nguyên khối vật liệu lọc bằng dung dịch KMnO
4
):
v
lọc xuôi
= 8-10m/h; d= 1,2-1,3mm (0,5-2);
H=1,2-1,5m; T lọc=3-14 ngày đêm
Xử lí không xúc tác: Xử lí bằng làm thoáng, lắng, lọc; nâng pH lên
hơn 8. Nếu hàm lợng DO còn lại không đủ thì làm thoáng lần 2, lọc
bậc 2 để xử lí Mn
+ Ưu điểm: E ổn định, dễ rửa các bể lọc chức năng khác nhau.
+Nhợc điểm: Tốn kém
25
- Hoá học: Sử dụng Cl
2
, O
3
, KMnO
4
để oxi hoá Mn
2+

thành Mn
4+
Cl
2
: pH = 7, t = 60 - 90 phút. ClO
2
: pH = 6,5 - 7, t = 10-15 phút.
- pH = 7, t= 60-90min, Hiệu suắt oxi hoá Mn
2+
bằng Clo E = 50%
- pH = 8, không có NH
4
+
, t=60-90min, E=100%
Oxi hoá 1mg Mn
2+
cần 1,45 mg O
3
hay 1,35 mg Cl
2
- pH=6,5-7, t= 10-15min, E=100%
L
Cl2
= 1,3[Mn
2+
] nếu không có NH
4
+
L
Cl2

= 1,3[Mn
2+
] + (5-10) [NH
4
+
] nếu có NH
4
+
Thêm L
Cl2
để oxi hoá chất hữu c trong nớc nếu có
- Nếu pH<7, phải có bể lắng sau Clo, vôi, t
lắng
=60 min
L
Cl2
= 1,35[Mn
2+
], mg/l
L
O3
= 1,45[Mn
2+
], mg/l
-KMnO
4
oxi hoá Mn
2+
thành Mn
4+

mọi dạng, kể cả keo hữu cơ
Phơng pháp khác:
O
2
: khả năng oxi hoá mạnh lên nếu có mặt
chất oxi hoá mạnh (Cl
2
).
Phối hợp: oxi hoá bằng làm thoáng nớc, tăng
pH, oxi hoá Fe
2+
thành Fe(OH)3, cho Clo vào
nớc sau khi làm thoáng (trớc bể lọc). Clo
vừa là chất oxi hoá vừa là chất xúc tác cho quá
trình oxi hoá bằng DO, tạo Fe(OH)
3
trong
khối vật liệu lọc (màng), hấp thụ và oxi hoá
Mn
2+
thành MnO
2
cũng là chất xúc tác cho
quá trình oxi hoá Mn
2+
.