Xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan

Xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan loại bỏ sắt và mangan trong nước bằng các phương pháp làm thoáng , tăng cường hóa chất, oxy hóa, lắng, lọc.

Sự cần cần thiết phải xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan

Sắt và mangan là 2 nguyên tố hóa học khác nhau và thường được phát hiện trong nước với hàm lượng khác nhau nhưng trong quá trình xử lý nước giếng khoan thường được tiến hành xử lý đồng thời.

Cả sắt và mangan đều không ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của người dùng nhưng sự tồn tại của chúng với hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn sẽ gây khó chịu cho người dùng. Quần áo được giặt bằng nước giếng khoan nhiễm sắt và mangan sẽ bị vàng ố hoặc có vết vàng đen do sắt và mangan bám vào.

Hàm lượng sắt và mangan có trong nước cao hơn quy định sẽ làm ố, bẩn chậu rửa và thiết bị vệ sinh trong nhà.

Đặc biệt nước giếng khoan nhiễm sắt mangan sẽ tạo điều kiện nuôi sống và kích thích sự phát triển của vi khuẩn sắt và mangan trong các công trình, hệ thống ống dẫn và phân phối nước. Vi khuẩn sắt và mangan lấy năng lượng để sống và phát triển từ phản ứng hóa học xảy ra tự nhiên giữa ion sắt, mangan và oxy hòa tan trong nước. Các vi khuẩn này tạo thành màng nhầy dính bám vào thành ống dẫn, màng nhầy này có màu rỉ vàng đối với sắt và đen đối với mangan, màng bám dày làm co hẹp diện tích ống tăng độ nhám làm tổn thất thủy lực. Khi vận tốc nước trong ống thay đổi đột ngột màng này bị bong ra làm vẩn đục nước bởi các hạt cặn vàng, đen.

Dấu hiệu nước giếng khoan nhiễm sắt mangan

Ion sắt và mangan trong nước dễ bị phát hiện bằng cách quan sát màu trên bề mặt tường trong bể lọc và mẫu của lớp vật liệu lọc. Nếu nước có chứa sắt, sẽ thấy màu nâu sẫm bám vào tường từ mực nước trở xuống và cát lọc có mầu nâu sẫm. Màu vàng nâu là sắt, màu đen là mangan. Còn màu nâu sẫm đen là nước có cả sắt và mangan.

Dấu hiệu dễ nhận biết nhất là nước giếng khoan khi bơm lên để lâu trong không khí sẽ có màu nâu đỏ hoặc màu đen, nâu đen. Nước có mùi tanh.

Phương pháp xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan đang áp dụng tại các nhà máy và trạm xử lý nước giếng khoan ở Việt Nam

Công nghệ xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan truyền thống

• Bước 1: Nước giếng khoan bơm lên đưa qua dàn mưa làm thoáng tự nhiên cường độ tưới từ 5 -10m³/m²h. Dàn làm thoáng cưỡng bức gió nước ngược chiều cường độ từ 30 – 50 m³/m² để lấy oxy và giải phóng CO₂ làm tăng độ PH của nước.
• Bước 2: Sau đó nước được lắng tại bể lắng tiếp xúc. Ở đây nước có thời gian thực hiện nốt quá trình oxy hóa từ sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III và thực hiện quá trình thủy phân ion sắt hóa trị III thành hợp chất không tan dễ lắng lọc Fe(OH)₃.
• Bước 3: Sau đó nước được bơm hút từ bể lắng qua các bể lọc cát hoặc lọc 2 lớp lọc bằng trọng lực hoặc lọc áp lực, vận tốc lọc từ 4 -15m/h
• Bước 4: Khử trùng nước bằng clo và đưa đến điểm sử dụng

Công nghệ xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan có tăng cường hóa chất

• Bước 1: Nước giếng khoan được khai thác đưa qua dàn mưa hoặc không đưa qua dàn mưa
• Bước 2: Bổ sung các chất oxy hóa là clo, natri hypoclorid NaClO, calcium hypochlorite, kali permanganate hoặc vôi để tăng PH
• Bước 3: Nước được đưa qua bể tiếp xúc hoặc bể lắng
• Bước 4: Lọc nước bằng các bể lọc trọng lực hoặc bể lọc áp lực
• Bước 5: Khử trùng nước bằng clo và đưa đến nơi sử dụng

Phương pháp xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan bằng oxy hóa

Xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan bằng oxy của không khí

Oxy có trong không khí là chất oxy hóa có sẵn rẻ nhất dùng để xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan. Phản ứng giữa oxy hòa tan trong nước với sắt và mangan diễn ra như sau:

Đối với mangan

2MnSO₄ + 2 Ca(HCO₃)₂ + O₂ = 2 MnO₂+ 2CaSO₄+ 2 H₂O + 4CO₂

Phản ứng diễn ra hoàn chỉnh ở PH >= 9 và thời gian tiếp xúc cần thiết để oxy hóa Mn hóa trị 2 thành MnO₂ và thủy phân thường lớn hơn 1 giờ. Lượng oxy cần 0,29 mg O₂ cho 1 mg Mn²⁺

Độ kiềm của nước giảm 1,8mg ứng với 1 mg Mn²⁺

Lượng cặn tạo ra 1,58g ứng với 1 mg Mn được loại ra khỏi nước. Vì vậy khi xử lý Mn²⁺ bằng oxy của không khí phải tính toán dàn làm thoáng với điều kiện khử khí CO₂ để tăng PH của nước là chính. Vì việc thu đủ lượng O₂ từ không khí vào nước để khử mangan dễ dàng hơn nhiều và hoàn thành sớm hơn nhiều so với quá trình làm thoáng khử CO₂ để tăng PH.

Phải kiểm tra tổng độ kiềm trong nước thô để sau khi oxy hóa sắt và mangan độ kiềm dư còn lại là 40mg/l thường phải pha thêm vôi vào sau dàn mưa để nâng PH lên 9 và tăng độ kiềm của nước.

Đối với sắt

Fe(HCO₃)₂ + O₂ + 2 H₂O = 4 Fe(OH)₂ + 8 CO₂

Dàn mưa làm thoáng nước xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan

Lượng oxy cần thiết: 0,14 mg O₂ cho 1mg Fe²⁺

Độ kiềm của nước giảm 1,8 mg ứng với 1 mg Fe²⁺

Lượng cặn tạo ra 1,9g ứng với 1g sắt được loại ra khỏi nước.

Thời gian tiếp xúc để hoàn thành quá trình oxy hóa và thủy phân sắt phụ thuộc và PH và độ kiềm của nước thô.

Các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và thực tế cho thấy nhiệm vụ chính của quá trình làm thoáng khử sắt là khử CO₂ để nâng PH của nước và giữ độ kiềm dư sau khi khử sắt ít nhất còn lại là 40mg/l để đảm bảo hoàn thành quá trình xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan

Hiệu quả làm thoáng để khử khí CO₂ và thu khí O₂ của nước phụ thuộc vào:

• Bản chất của khí
• Nồng độ hòa tan của khí có trong nước và trong không khí, chênh lệch của nồng độ khí cần xử lý trong nước và trong không khí càng lớn, quá trình chuyển đổi khí từ pha lỏng sang pha khí hoặc ngược lại diễn ra càng nhanh.
• Kỹ thuật làm thoáng phụ thuộc rất lớn vào diện tích bề mặt tiếp xúc giữa nước và không khí tức diện tích bề mặt các giọt nước, màng nước khi tiếp xúc với không khí.
• Hiệu quả làm thoáng phụ thuộc vào tỷ lệ gió nước, tỷ lệ gió nước phải đạt đến trị số nhất định thường từ 10 đến 20 lần
• Thời gian tiếp xúc giữa nước và không khí trong quá trình làm thoáng. Trong các trạm xử lý nước giếng khoan người vận hành căn cứ vào bản chất của quá trình và các yêu cầu kỹ thuật nêu trên để điều chỉnh lưu lượng nước, gió, diện tích và thời gian tiếp xúc để có hiệu quả cao nhất.

Vì trong nước thô có chứa CO₂ và phản ứng oxy hóa khử sắt và mangan giải phóng CO₂ nên nước có tính ăn mòn và rỉ cao nên hệ thống đường ống dẫn, vật liệu tiếp xúc cần làm bằng vật liệu chống rỉ và chống ăn mòn như nhựa, thép không rỉ.

Nếu trong nước giếng khoan có chất hữu cơ, H₂S, amoni thường có rong rêu bám vào thành ống và tường của thiết bị làm thoáng, người vận hành có thể sử dụng clo từng đợt hoặc quét vôi thường xuyên quanh thành tường để ngăn cản sự phát triển của rêu tảo và vi khuẩn theo chu kỳ thời gian cần thiết.

Sau dàn làm thoáng là bể tiếp xúc hoặc bể lắng tiếp xúc

Mục đích của bể tiếp xúc là tạo thời gian lưu nước cần thiết (thường từ 20 -60 phút) để hoàn thành quá trình oxy hóa và thủy phân sắt thành bông cặn Fe(OH)₃ trước khi đưa nước sang bể lọc.

Bể lắng tại trạm xử lý nước sinh hoạt nhà máy nước Phú Vinh

Bể lắng tiếp xúc thường có mặt bằng hình tròn, hình vuông hoặc hình chữ nhật, đáy bể có độ dốc tập trung về cống xả cặn. Điều quan trọng nhất trong vận hành bể tiếp xúc là đảm bảo hiệu quả thủy lực của bể làm cho tất cả các phần tử nước đều có thời gian lưu lại trong bể đúng với thời gian thiết kế. Muốn vậy trong các bể hình trụ tròn hoặc vuông phân phối nước vào bể bằng ống đứng trung tâm như bể lắng đứng còn bể hình chữ nhật nên đặt các vách ngăn phân phối đều nước theo tiết diện ngang của bể.

Máng thu nước ra phải có mép máng ngang phẳng đảm bảo thu nước ra đều, trong bể không có hiện tượng ngắn dòng. Thành bể và lối đi quanh bể phải làm vệ sinh thường xuyên, tránh rong rêu và trơn trượt.

Bể lắng tiếp xúc áp dụng khi hàm lượng sắt trong nước thô lớn hơn 15mg/l và có pha vôi sau làm thoáng để khử CO₂ nâng PH.

Qua dàn mưa và bể lắng tiếp xúc đảm bảo hơn 98% sắt đã được oxy hóa và thủy phân thành bông cặn  Fe(OH)₃ nước có màu vàng đục được dẫn sang bể lọc.

Trạm xử lý nước giếng khoan phục vụ sản xuất tại nhà máy gạch Granite Thạch Bàn Bắc Giang

Trong bể lọc các bông cặn Fe(OH)₃ được giữ lại trong các lỗ rỗng của lớp vật liệu hạt. Cặn Fe(OH)₃ cũng có tác dụng xúc tác để oxy hóa và thủy phân tiếp số ít những ion sắt còn chưa kịp oxy hóa trong công đọng trước. Cặn sắt và mangan dính bám cùng với hạt vật liệu xử lý nước tạo thành bùn cặn, nếu rửa lọc không sạch lâu dần sẽ bị đóng bánh và vón cục.

Vì cặn Fe(OH)₃  và MnO₂ bám vào hạt có tác dụng xúc tác khử sắt và mangan nên trong thực tế thường thấy chất lượng nước lọc cuối chu kỳ tốt hơn ở đầu chu kỳ khi bể lọc vừa rửa xong.

Trong quá trình vận hành các trạm xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan thường dựa vào tổn thất áp lực qua bể lọc để rửa lọc mà không dựa vào chất lượng nước sau lọc.

Bể lọc khử sắt có cỡ hạt và chiều dày lớp lọc lớn hơn bể lọc nước mặt. Vì cặn sắt, mangan dính bám trong lớp lọc có tác dụng xúc tác nên tốc độ lọc có ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước đầu ra.

Phương pháp xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan bằng clo và dioxit clo

Clo khi hòa tan vào nước sẽ oxy hóa mangan thành hợp chất không tan dioxit mangan và oxy hóa sắt thành hợp chất không tan sắt hydroxit. Sau đó cặn được loại ra khỏi nước bằng bể lọc.

Phản ứng giữa clo với mangan và sắt diễn ra như sau:

Đối với mangan

Mn(HCO₃)₂ + Ca(HCO₃)₂ + Cl₂ = MnO₂ + 2CaCl₂ + 2H₂O + 4 CO₂

1. Phản ứng diễn ra tốt ở PH từ 6 -7, thời gian tiếp xúc 60 phút
2. Lượng tiêu thụ clo 2,29mg/mg Mangan
3. Độ kiềm của nước giảm 3,64mg/mg Mn
4. Lượng cặn phát sinh 2,58g/1g Mn được loại bỏ
5. Trong vận hành phải giữ PH 6 -6,5, thời gian tiếp xúc và độ kiềm dư là 40mg/l

Đối với sắt

2 Fe(HCO₃)₂ + Ca(HCO₃)₂ + Cl₂ = 2Fe(OH)₃ + 8 CO₂

1. Phản ứng tốt diễn ra ở PH 6-7, thời gian tiếp xúc từ 45 -60 phút
2. Lượng tiêu thụ 0,64mg/1 mg sắt
3. Độ kiềm giảm 2,7mg/1mg sắt được oxy hóa
4. Lượng cặn sinh ra 1,9g ứng với 1g sắt được loại ra khỏi nước

Đối với mangan khi dùng dioxit clo

Mn(HCO₃)₂ + 2 NaHCO₃ + 2ClO₂ = MnO₂ + 2 NaClO₂ + H₂O + 2 CO₂

1. Phản ứng diễn ra tốt ở khoảng PH từ 6-7. Thời gian tiếp xúc 60 phút
2. Lượng dioxit clo tiêu thụ 2,46mg/1mg Mn²⁺
3. Độ kiềm giảm 3,6mg/1mg Mn được oxy hóa
4. Lượng cặn phát sinh 1,58g ứng với 1g Mn được loại ra khỏi nước

Đối với sắt khi dùng dioxit clo

Fe(HCO₃)₂ + 2 NaHCO₃ + 2ClO₂ = Fe(OH)₃ + NaClO₂ + 3 CO₂

1. Phản ứng diễn ra tốt ở khoảng PH 6 -7, thời gian tiếp xúc cần từ 30 -60 phút
2. Lượng clo dioxit tiêu thụ 1,21mg/1 mg sắt Fe²⁺
3. Độ kiềm của nước giảm 2,7mg/1 mg sắt
4. Lượng cặn sinh ra 1,9g ứng với 1g sắt được loại ra khỏi nước.

Số lượng định lượng từ các phản ứng trên khi trong nước thô không có chất hữu cơ H₂S và NH₄. Nếu có các chất trên lượng clo tiêu thụ cần cao hơn.

Đối với nước giếng khoan nhiễm sắt mangan có chứa chất hữu cơ gây màu không dùng clo để khử sắt mà phải dùng dioxit clo hoặc các chất oxy hóa khác. Vì clo dư có thể kết hợp với các chất hữu cơ tạo ra sản phẩm phụ trihalometan (THM_s) là chất có thể gây ra ung thư.

Xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan bằng kali permanganate

Khi cho kali permanganate vào nước có chứa mangan và sắt, kali permanganate sẽ phản ứng với Mn²⁺ và Fe²⁺ và oxy hóa chúng theo các phản ứng sau:

Đối với nước giếng khoan nhiễm mangan

3Mn(HCO₃)₂ + 2 KMnO₄ = 5 MnO₂ + 2 KHCO₃ + 2 H₂O + 4 CO₂

1. Phản ứng diễn ra thuận lợi trong khoảng PH 6 -7
2. Thời gian tiếp xúc cần thiết 60 phút
3. Lượng KMnO₄ tiêu thụ 1,92 mg/ 1mg Mn²⁺
4. Độ kiềm của nước giảm 1,21 mg/1mg Mn²⁺
5. Lượng cặn sinh ra 2,64 g/ 1g Mn được loại ra khỏi nước

Đối với nước giếng khoan nhiễm sắt

3Fe(HCO₃)₂ + KMnO₄ + H₂O = 3Fe(OH)₃ + MnO₂ + KHCO₃ + 5 CO₂

1. Phản ứng diễn ra thuận lợi ở khoảng PH 6-7, thời gian tiếp xúc cần thiết là 60 phút
2. Lượng KMnO₄ tiêu thụ 0,94 mg/1g Fe²⁺
3. Độ kiềm của nước giảm 1,5 mg/1mg sắt được oxy hóa.

Lượng KMnO₄ sẽ tăng hơn khi trong nước thô có chứa chất hữu cơ, H₂S và NH_4. KMnO₄ là chất oxy hóa chất hữu cơ mà không tạo ra sản phẩm phụ trihalometane nhưng có thể gây cho nước sau xử lý có màu hồng nhạt nếu dùng KMnO₄ quá liều lượng cần thiết.

Thực tế xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan tại các trạm xử lý nước giếng khoan cho thấy nước sau khi qua dàn mưa làm thoáng và lắng tiếp xúc lọc qua bể lọc có lớp vât liệu lọc là cát mangan, hàm lượng sắt và mangan trong nước sau lọc có thể giảm tương đối lớn.Cát Mangan có khả năng oxy hóa sắt và mangan thành các hợp chất không tan và giữ chúng lại trong lớp vật liệu lọc. Sau mỗi chu kỳ lọc, lớp lọc được rửa bằng gió và dòng nước ngược, cặn được thải ra ngoài để khôi phục lại khả năng giữ cặn của lớp lọc.

Bể lọc cát Mangan xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt mangan sau một thời gian làm việc, lớp lọc dioxit mangan bị hao mòn khi rửa lọc bị mất dần khả năng hoạt tính làm cho việc oxy hóa sắt và mangan bị chậm lại và không đạt hiệu quả mong muốn. Do đó phải hoàn nguyên lại khả năng oxy hóa của cát.

Trong vận hành áp dụng 3 phương pháp hoàn nguyên:

• Hoàn nguyên liên tục
• Hoàn nguyên gián đoạn
• Hoàn nguyên bằng quá trình xúc tác

Việc lựa chọn áp dụng phương pháp nào phụ thuộc vào nồng độ sắt mangan có trong nước và PH của nước nguồn

Phương pháp hoàn nguyên liên tục

Khi hàm lượng sắt trong nước nguồn >= 15mg/l còn hàm lượng mangan<=1mg/l và PH 6,5 -7.

Trong trường hợp này vì hàm lượng sắt trong nước cao sau khi làm thoáng và lắng tiếp xúc, sắt bị oxy hóa và thủy phân thành bông cặn Fe(OH)₃. Những bông cặn này được giữ lại trong bể lọc, cặn sắt bao bọc các hạt lọc làm giảm hoạt tính oxy hóa của cát do đó lớp bọc mangan dioxit tên mặt hạt không thể tiếp xúc trực tiếp để oxy hóa mangan và Fe²⁺còn lại được nữa. Vì vậy phải liên tục cho dung dịch kali permanganate vào trước bể lọc để oxy hóa tiếp Fe²⁺ còn sót lại sau làm thoáng và lắng tiếp xúc và oxy hóa mangan thành MnO₂, cặn MnO₂ tạo ra dính bám vào hạt lọc đóng vai trò xúc tác tăng cường quá trình oxy hóa sắt và mangan

Phương pháp hoàn nguyên gián đoạn trong điều kiện

Hàm lượng sắt trong nước nguồn <=10mg/l hàm lượng Mn>=1mg/l , PH = 6 -7 .

Trong trường hợp này sau làm thoáng và lắng tiếp xúc sắt bị oxy hóa và thủy phân thành cặn Fe(OH)₃, còn mangan chưa bị oxy hóa, nước đi vào bể lọc, sắt bị oxy hóa triệt để và bị giữ lại ở các lớp lọc nằm trên, còn mangan đi tiếp xuống lớp lọc nằm dưới tiếp xúc với cát MnO₂. Mangan bị oxy hóa và dính bám vào cát tăng cường quá trình oxy hóa mangan.

Khi tổn thất qua bể lọc đạt đến giới hạn, rửa bể lọc bằng gió và dòng nước ngược, lớp cát phía dưới bị trộn lẫn với lớp cát phía trên đã bị bao bọc bằng cặn sắt và trong quá trình rửa lớp MnO₂ cát mangan cũng bị bào mòn nên khả năng oxy hóa của chúng cũng giảm dần. Khi cường dộ oxy hóa không đủ (lượng mangan trong nước sau lọc >=0,05 mg/l) thì phải hoàn nguyên lại lớp cát.

Quy trình hoàn nguyên như sau:

Sau khi rửa bể lọc, tháo khô lớp cát bể lọc bằng cách không cho nước nguồn vào, lọc tiếp đến khi mực nước trong bể lọc hạ xuống dưới lớp cát lọc, đóng van rút nước ra, cho dung dịch kali permanganate nồng độ 43 -45 mg/l vào bể lọc đến mức ngang mặt trên của lớp cát, để tiếp xúc 10 – 12 hoặc 24 giờ sau đó rửa bể lọc. Khi hàm lượng mangan trong nước rửa <= 0,1 mg/l thì ngừng và cho bể lọc làm việc tiếp.

Phương pháp hoàn nguyên bằng quá trình xúc tác trong điều kiện

Nước nguồn có hàm lượng sắt <= 5mg/l, hàm lượng mangan <= 1mg/l PH>=7 .

Sau khi làm thoáng cho clo vào nước với lượng clo dư sau lọc 0,3 mg/l để oxy hóa sắt và mangan bị oxy hóa thành MnO₂ dính bám vào hạt cát lọc, lâu dần thành cát đen có tác dụng oxy hóa sắt và mangan. Mangan bị oxy hóa tự hoàn nguyên lớp cát.

Vì hàm lượng sắt thấp trong trường hợp này chu kỳ lọc thường kéo dài từ 24 -36 thậm chí đến 48 giờ.

Bài viết tham khảo

• Hướng dẫn cách làm bể lọc nước giếng khoan tại các hộ gia đình
• Phương pháp xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt đơn giản nhất