Phương pháp xử lý nước giếng khoan nhiều sắt
Trong nước thiên nhiên sắt tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau. Trong nước giếng khoan sắt thường tồn tại ở dạng ion sắt hóa trị 2 trong thành phần của các muối hòa tan như bicacbonat, sunfat, clorua …
Khi nước có hàm lượng sắt cao, nước có vị tanh và tạo ra cặn bẩn màu vàng làm giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp. Vì vậy xử lý nước giếng khoan nhiều sắt đến giới hạn cho phép là công việc cần thiết để đảm bảo chất lượng nước cấp.
Các phương pháp xử lý nước giếng khoan nhiều sắt như sau:
Xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng oxy hóa
Nguyên lý của phương pháp này là oxy hóa sắt II thành sắt III và tách chúng ra khỏi nước dưới dạng hydroxit sắt III. Trong nước giếng khoan sắt II bicacbonat là muối không bền, nó dễ dàng thủy phân thành sắt II hydroxit theo phản ứng:
Fe(HCO3)2 + 2H2O ⇔ Fe(OH)2 + 2H2CO3
Nếu trong nước có oxy hòa tan, sắt II hydroxit sẽ bị oxy hóa thành sắt III hydroxit theo phản ứng
4Fe(OH)2 + 2 H2O + O2 ⇔ 4Fe(OH)3
Sắt III hydroxit 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.
Khi trong nước có chứa các muối đồng, mangan, photpho cũng như khi nước tiếp xúc với cặn lắng của sắt III hydroxit và mangan oxit, do tác dụng xúc tác của chúng, quá trình oxy hóa sẽ diễn ra nhanh hơn.
Ngoài ra tốc độ phản ứng oxy hóa sắt tăng khi PH của nước tăng (nồng độ H+ giảm) và khi nồng độ oxy hòa tan tăng.
Nước giếng khoan thường không chứa oxy hòa tan hoặc có hàm lượng oxy hòa tan rất thấp. Để tăng nồng độ oxy hòa tan trong nước, biện pháp đơn giản nhất là làm thoáng. Hiệu quả của bước làm thoáng được xác định theo nhu cầu oxy cho quá trình xử lý nước giếng khoan nhiều sắt.
Quá trình oxy hóa khử xảy ra như sau: Fe3+ + e– ⇔ Fe2+
Qua tính toán thấy rằng, với nước giếng khoan có tổng hàm lượng muối nhỏ hơn 1000 ppm, có thể coi hệ số hoạt hóa là 1, để đảm bảo sau khi oxy hóa lượng Fe2+ còn lại trong nước là 0,3 mg/l theo quy chuẩn nước dùng cho sinh hoạt ăn uống.
Thế oxy hóa khử cần thiết cho quá trình này phụ thuộc vào PH và được tính theo phương trình sau:
E=1,34-0,177PH
Như vậy nếu PH của nước càng lớn thì thế oxy hóa khử cần thiết càng nhỏ và quá trình xử lý nước giếng khoan nhiều sắt diễn ra càng nhanh. Thường các nguồn nước giếng khoan có thế oxy hóa khử gần như bằng 0, giá trị PH nhỏ hơn 7,5 nên sắt II luôn luôn ở trạng thái hòa tan và không bị oxy hóa
Các biện pháp xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng quá trình oxy hóa
Xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng làm thoáng đơn giản trên bề mặt lọc
Nước cần được khử sắt được làm thoáng bằng giàn phun mưa ngay trên bề mặt lọc. Chiều cao giàn phun thường lấy khoảng 0,7m, lỗ phun có đường kính 5 -7mm, lưu lượng tưới vào khoảng 10m3/m2h.
Lượng oxy hòa tan trong nước sau khi làm thoáng ở nhiệt độ 250C lấy bằng 40% lượng oxy hòa tan bão hòa (ở 250C lượng oxy hòa tan bão hòa bằng 8,1 mg/l)
Xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng giàn mưa tự nhiên
Giàn mưa làm thoáng nước
Nước giếng khoan được tưới lên giàn làm thoáng một bậc hay nhiều bậc. Lưu lượng tưới và chiều cao tháp cũng lấy giống như làm thoáng đơn giản trên bề mặt lọc.
Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng bằng 55% lượng oxy hòa tan bão hòa. Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 50%.
Xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng làm thoáng cưỡng bức
Xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng tháp làm thoáng cưỡng bức với lưu lượng tưới ừ 30 -40m3/h. Lượng không khí tiếp xúc lấy từ 4 – 6 m3 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%.
Các bước tính toán để xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng phương pháp oxy hóa
Bước 1: Xác định thế oxy hóa khử của nước theo phương trình E=1,34-0,177PH.
Như vậy để tính toán được E cần phải đo được độ PH của nước.
Trường hợp xử lý nước giếng khoan nhiều sắt đơn giản bằng giàn mưa trực tiếp trên mặt bể lọc thì lượng CO2 trong nước coi như không giảm. Sau làm thoáng, sắt bị thủy phân, cứ 1 ppm sắt II thủy phân sẽ tạo thành 1,6 ppm CO2 và giảm 0,036 mgđl/l độ kiềm.
C(CO2) tổng = C(CO2)ban đầu + 1,6 Fe2+ mg/l
Và Ki = Ki0 – 0,036 Fe2+ mgđl/l
C(CO2 : Hàm lượng CO2 của nước nguồn trước khi làm thoáng
Kio : Độ kiềm ban đầu của nước nguồn
Ki : Độ kiềm của nước sau quá trình thủy phân sắt
Sau khi tính được CO2 và Ki ta có thể xác định được PH của nước rồi tính thế oxy hóa khử E
Trường hợp xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng giàn phun mưa, lượng CO2 tự do trong nước giảm đi 50% do vậy
C(CO2) tổng = 0,5 C(CO2)ban đầu + 1,6 Fe2+ mg/l
Và Ki = Ki0 – 0,036 Fe2+ mgđl/l
Nếu xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng tháp làm thoáng cưỡng bức, lượng CO2 trong nước giảm 80% nên
C(CO2) tổng = 0,2C(CO2)ban đầu + 1,6 Fe2+ mg/l
Bước 2: Xác định thế oxy hóa khử sau làm thoáng
E O2/H2O = 1,231 -0,059 PH + 0,1145 lg O2
Trường hợp làm thoáng đơn giản trên bề mặt bể lọc, lượng oxy tiêu hao để khử hết 1 mg/l H2S là 0,47 mg/l O2 và cũng một lượng oxy tương ứng dùng để khử các chất hữu cơ. Để khử hết 1 mg/l Fe2+ cần 0,143 mg/l O2. Lượng oxy còn lại sẽ là:
CO2 =CO2 hòa tan – [0,47CH2S + 0,143CFe2+ + CO2 chất hữu cơ mg/l
CH2S, CFe2+ – hàm lượng H2S và Fe2+ có trong nước nguồn
CO2 chất hữu cơ – lượng oxy cần thiết để oxy hóa chất hữu cơ
Với các trường hợp khác tính tương tự như trên.
Bước 3: So sánh các giá trị EFe3+/Fe2+ yêu cầu và EO2/H2O theo tính toán được.
Khi EO2/H2O >3 EFe3+/Fe2+ thì chọn để thiết kế
Trong đó hệ số 3 áp dụng để đáp ứng tốc độ oxy hóa có thể chấp nhận được khi xử lý nước giếng khoan nhiều sắt.
Theo lý thuyết, thế oxy hóa khử sau khi làm thoáng nếu lớn hơn thế oxy hóa khử yêu cầu thì sắt II trong nước sẽ bị oxy hóa thành sắt III. Mục đích của xử lý trong giai đoạn này là loại bỏ sắt ra khỏi nước vì vậy tốc độ quá trình oxy hóa sắt rất quan trọng và đó là điều kiện cơ bản để lực chọn kiểu cấu tạo công trình tách cặn sắt sau làm thoáng. Nếu tốc độ phản ứng chậm, bông cặn Fe(OH)3 có thể hình thành sau khi nước đã qua xử lý dẫn đến sự lắng đọng trong hệ thống phân phối nước.
Xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng hóa chất
Khi trong nước giếng khoan có hàm lượng tạp chất hữu cơ, các chất hữu cơ sẽ tạo ra dạng keo bảo vệ các ion sắt, vì vậy muốn khử sắt phải phá vỡ được màng hữu cơ bảo vệ bằng tác dụng của các chất oxy hóa mạnh. Đối với nước giếng khoan, khi hàm lượng sắt quá cao đồng thời tồn tại cả H2S thì lượng oxy thu được nhờ làm thoáng không đủ để oxy hóa hết H2S và sắt. Trong trường hợp này cần thiết phải xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng hóa chất
Xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng vôi
Phương pháp này có thể áp dụng cho cả nước mặt và nước giếng khoan. Nhược điểm của phương pháp này là phải dùng đến các thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp nên thường kết hợp khử sắt với quá trình xử lý khác như xử lý ổn định nước bằng kiềm hóa, làm mềm nước bằng vôi kết hợp với soda.
Khi cho vôi vào nước, độ PH của nước tăng lên. Ở điều kiện giàu ion OH–, các ion Fe2+ thủy phân nhanh chóng thành Fe(OH)2 và lắng xuống một phần, thế oxy hóa khử tiêu chuẩn giảm xuống do đó sắt II dễ dàng chuyển hóa thành sắt III. Sắt III hydroxit kết tụ thành bông cặn, lắng trong bể lắng và có thể dễ dàng tách ra khỏi nước.
Lượng vôi cần thiết cho quá trình được tính toán như sau:
[CaO]=0,8 [CO2] + 1,8 [Fe]
Trong đó:
[CaO]: Lượng vôi cần thiết cho quá trình tính bằng mg/l
[CO2]: Hàm lượng CO2 tự do trong nước nguồn mg/l
[Fe]: Tổng hàm lượng sắt trong nước mg/l
Xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng clo
Quá trình xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng clo được thực hiện nhờ phản ứng sau:
2Fe(HCO3)2 + Cl2 + Ca(HCO3)2 + 6H2) 2 Fe(OH)3 + CaCl2 + 6H+ + 6 HCO3–
Từ phương trình trên ta thấy tốc độ oxy hóa sắt bằng clo tăng nhanh khi giảm nồng độ ion H+ tức là tăng PH của nước. Tuy nhiên do clo là chất oxy hóa mạnh nên phản ứng oxy hóa sắt bằng clo vẫn xảy ra nhanh ở PH>= 5
Trường hợp nước nguồn có các hợp chất amoni hòa tan, clo sẽ kết hợp với chúng để tạo thành cloramin. Với thế oxy hóa khử của clo là 1,36V và của cloramin là 0,76V chỉ bằng một nửa thế oxy hóa khử của clo do vậy quá trình oxy hóa bị chậm lại. Khi PH=7 quá trình oxy hóa sắt II bằng cloramin kết thúc sau 60 phút. Vì vậy với nước có chứa các hợp chất amoni hòa tan với nồng độ đáng kể thì việc sử dụng clo để khử sắt là hoàn toàn không có lợi
Xử lý nước giếng khoan nhiều sắt bằng kali permanganate
Khi dùng KMnO4 để khử sắt, quá trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan IV hydroxit vừa được tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử.
Bài viết tham khảo
