nghiên cứu khả năng khử sắt trong nước ngầm bằng phương pháp làm thoáng và bằng vật liệu Toyolex

trình bày về nghiên cứu khả năng khử sắt trong nước ngầm bằng phương pháp làm thoáng và bằng vật liệu Toyolex

CHƯƠNG 5

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÀM THOÁNG VÀ BẰNG VẬT

NỘI DUNG:

5.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

5.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

5.3 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

5.4 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

5.5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

5.6 NHẬN XÉT CHUNG

5.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Nghiên cứu khả năng khử sắt trong xử lý nước cấp bằng công nghệ làm thoáng tự nhiên và bằng vật liệu lọc Toyolex + Than Anthracite

5.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong nước tự nhiên, kể cả nước mặt lẫn nước ngầm đều có chứa sắt Hàm lượng sắt và dạng tồn tại của chúng tùy thuộc vào từng loại nguồn nước, điều kiện môi trường và nguồn gốc tạo thành chúng Trong nước mặt, sắt tồn tại ở dạng hợp chất sắt Fe3+ thông thuờng là Fe(OH)3 không tan, ở dạng keo hay huyền phù, hoặc

ở dạng các hợp chất hữu cơ phức tạp khó tan Hàm lượng sắt có trong nước mặt không lớn và sẽ được khử trong quá trình làm trong nước

Trong nước ngầm sắt tồn tại dạng ion, sắt có hóa trị 2 (Fe2+) là thành phần của các muối hoà tan như: bicacbonat Fe(HCO3)2, sunfat FeSO4 Hàm lượng sắt trong nước ngầm thường cao và phân bố không đồng đều trong các trầm tích dưới sâu Nước có hàm lượng sắt cao, thì có mùi tanh và có nhiều cặn bẩn màu vàng, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước ăn uống và cho sinh hoạt và sản xuất Vì vậy khi trong nước có lượng sắt lớn hơn giới hạn cho phép thì phải tiến hành khử sắt Hiện nay có nhiều phương pháp khử sắt của nước ngầm, có thể chia thành các nhóm chính sau:

 Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng

 Khử sắt bằng phương pháp dùng hoá chất

 Khử sắt bằng phương pháp làm khác

5.2.1 Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng

Thực chất của phương pháp khử sắt bằng phương pháp làm thoáng là làm giàu oxi cho nước tạo điều kiện để oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ thực hiện quá trình thuỷ phân tạo thành hợp chất ít tan Fe(OH)3, rồi dùng bể lọc giữ lại Làm thoáng có thể là:

làm thoáng tự nhiên hay làm thoáng nhân tạo Sau khi làm thoáng quá trình oxi hoá Fe2+ và thủy phân Fe3+ có thể xảy ra trong môi trường tự do

Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là muối không bền vững, thường phân ly theo dạng sau :

Fe(HCO3)2 = 2 HCO3- + Fe2+

Nếu trong nước có oxi hoà tan, quá trình oxi hóa diễn ra như sau:

4Fe2+ + O2 + 10 H2O = 4 Fe(OH)3 + 8H+

Đồng thời xảy ra phản ứng phụ:

H+ + HCO3- = H2O + CO2

Tốc độ phản ứng oxi hoá được biểu thị theo phương trình Just như sau:

     

O Fe dt

Fe d

2 2











Trong đó:

 v : Tốc độ oxi hóa

dt

Fe

d 2 

: Sự biến thiên nồng độ [Fe2+] theo thời gian t

 [Fe2+]; [ H+]; [O2]: Nồng độ của các ion Fe2+, H+, O2 tan trong nuớc

 K : Hằng số tốc độ phản ứng, phụ thuộc vào nhiệt độ và chất xúc tác Theo phương trình của Just tốc độ oxi hoá của Fe2+ tỉ lệ thuận với [Fe2+] và [O2], tỉ lệ nghịch với [ H+]

Như vậy quá trình chuyển hóa Fe2+ thành Fe3+ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

pH, O2, hàm lượng sắt trong nước ngầm, CO2, độ kiềm, nhiệt độ, thời gian phản ứng Ngoài ra tốc độ oxi hóa Fe2+ còn phụ thuộc vào thế oxi hóa khử

Khi tất cả các ion Fe2+ hoà tan trong nước đã chuyển hóa thành bông cặn Fe(OH)3 Việc loại bỏ các bông cặn ra khỏi nước đuợc thực hiện ở bể lọc chủ yếu theo cơ chế giữ cặn cơ học

5.2.2 Tổng quan về vật liệu lọc Toyolex và Than Anthracite

5.2.2.1 Than Anthracite

a) Đại cương về Anthracite

Anthracite là một vật liệu lọc để khử độ đục Áp dụng Anthracite được xem như một nguyên liệu với tên thường gọi là “Anthracite filter” (chất lọc Anthracite) Anthracite là loại than bị cacbon hoá cao nhất và có tính dễ bay hơi rất thấp so với các loại than khác như là: Bituninuous, Lignite, Brown coal

Anthracite có tỷ lệ cacbon lớn (cacbon cố định) và có lượng tro thấp do đó nó chứng tỏ được chất lượng cao, tốt Cacbon là chất cản tốt cho nước, than có độ tinh khiết cao và điều kiện kết tinh tốt, có độ cứng vật lý cao

Sử dụng đặc tính đó, Anthracite được phát triển thành một chất để lọc

b) Những đặc trưng của Anthracite

1/ Giữ cặn tại khoảng trống bên ngoài:

Anthracite không giống như chất lọc cacbon hoạt tính mà cacbon này có tính thẩm thấu hoà tan trong nước tại khoảng trống bên trong của hạt để khử chất hoà tan đó, nhưng một chất lọc trung gian giữa các chất rắn lơ lửng (những chất không tan trong dung dịch)tại khoảng trống bên ngoài của hạt Chất lọc trung gian thay đổi từ chất hoà tan (phân huỷ) bằng việc tiến hành xử lý như là liều dùng

Việc rửa ngược đủ cho phép sử dụng bán thường xuyên chất lọc

2/ Giữ một số lượng lớn cặn

Cát có hình thể hạt thống nhất và trọng lượng của nó thì hơi lớn, lớp lọc trở nên chặt sít và tỷ lệ khoảng trống trở nên nhỏ bé Do đó, chất làm đục có thể không được giữ lại với số lượng lớn Mặt khác, bởi vì Anthracite có thể đá bị đập (có góc cạnh) và hạt khác nhau, tỷ lệ độ lỗ hổng trở nên lớn, và do đó chất làm đục cặn có thể bị giữ lại với số lượng lớn

3/ Lọc với lớp lọc dày:

Bởi vì dạng hạt hoàn toàn khác nhau và không có quy tắc định dạng nào, có khối lượng nhẹ, lớp lọc không trở nên chặt sít dễ dàng, vì thế việc lọc có thể thực hiện trên một lớp dày và không chỉ lọc ở phần bề mặt của lớp Sự tổn thất áp lực ban đầu (P) hơi nhỏ và số lần rửa lọc giảm

4/ Rửa ngược dễ dàng:

Anthracite là chất lọc nhẹ, rửa ngược có thể được thực hiện dễ dàng Hơn nữa, bề mặt hạt lọc nhẵn, cặn bị giữ lại được giữ lại được giữ lại một cách dễ dàng và việc rửa có hiệu quả cao

Lượng nước dùng rửa ngược nhỏ mà thời gian rửa ngắn

5/ Tính trơ đối với hoá chất:

Anthracite chất lượng cao chỉ có một ít tạp chất và có hàm lượng cacbon cao, như vậy Anthracite không hoà tan được trong nước có tính axít và nước có tính kiềm

Do đó, thích hợp cho công dụng lọc Anthracite được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá chất như lọc nước biển, dùng trong việc làm soda

c) Những điều cần lưu ý

Bởi vì Anthracite là chất lọc có trọng lượng thấp (nhẹ), nó không yêu cầu lượng nước lớn để rửa ngược Tuy nhiên, nó cần có tốc độ thích ứng với hình dáng hạt, bởi vì, tốc độ không phù hợp có thể gây ra sự cuốn Anthracite theo nước rửa

So sánh với cát, lớp Anthracite phải đặt dày hơn Không giống như lớp cát có đặc trưng lọc trên bề mặt, lớp Anthracite giữ chất làm đục với số lượng lớn tại cả lớp nằm dưới sâu nhờ vào tỷ lệ chỗ hổng lớn Tuy nhiên, nó có thể nhạy với áp suất, và nếu lớp Anthracite mỏng, thích hợp để tạo ra khe hở trên chất rắn lơ lửng giữ lại bên trong của lớp Anthracite

Ngoài việc rửa bề mặt đầy đủ, việc rửa ngược ngăn lọc ở lớp thấp nhất Việc phát triển mở rộng sàn lọc nhũng hạt Anthracite bên trong cũng giữ chất bẩn làm đục Bởi vì, mức mở rộng việc rửa ngược theo đặc trưng của Anthracite cũng cao như của cát lọc cỡ hạt bằng ½, nó có thể tạo nên ngăn lọc hai lớp, tại đó : hạt ở ngăn trên giữ hạt lơ lửng lớn và ngăn dưới giữ những hạt lơ lửng nhỏ - hoặc ngăn lọc

03 lớp tại đó hạt Garnet (dạng hạt lựu) được sử dụng như là lớp lọc thấp nhất Trong những ngăn sàng lọc, Anthracite cho phép lọc lớp dày sâu Do đó, nó được giới thiệu làm sàn lọc dày gấp hai lần, rộng như sàn lọc cát để đảm bảo việc lọc tối đa

Trong trường hợp lọc hai lớp, những chất bẩn (chất làm đục) rắn có trọng lượng lớn và có độ nhớt sền sệt có thể được giữ lại giữa lớp Anthracite và lớp cát giống như lớp bánh Sandwich việc sủi bọt khí là cần có Để rửa sạch mà không cần lớp Anthracitevà lớp cát phân cách hoàn toàn (với lớp trộn lẫn) một vài lưu ý cần có cần có như là sự lựa chọn cỡ hạt lọc đặc biệt phù hợp cho từng phương pháp lọc Trong trường hợp 02 lớp tạo thành bởi Anthracite cỡ hạt nhỏ và cát lọc bởi vì việc rửa ngược liên kết với khí có thể gây ra Anthracite bị cuốn trôi đi Vì thế không nên dùng khí Trong trường hợp cỡ hạt lớn, khi vịêc rửa ngược được thực hiện đồng thời với khí và nước, cần thiết phải hiệu chỉnh tỷ lệ hỗn hợp nước và khí Nhật Bản có lượng mưa thích nghi suốt bốn mùa và sông ngòi chảy khắp nơi trên các đảo của Nhật cho chúng tôi nguồn chất lượng tốt Như tiêu chuẩn của nâng cao sinh hoạt, nước có chất lượng cao và trữ lượng phong phú là rất cần có Do đó, nó được ước tính rằng mười năm tới đây, sự thiếu hụt về nước sẽ đối đầu với cuộc sống

Để giải quyết vấn đề này, kỹ thuật xử lý nước sẽ được phát triển và nó dường như là kỹ thuật lọc sẽ tìm ra cách giải thoát khi công trình kiên cố sẽ được thực hiện

vì sự thiếu hụt diện tích đất, giới hạn mặt bằng hướng đến các công trình lọc chắc chắn và tốc độ

Mặt khác, trong lĩnh vực xử lý nước thải và xử lý nước cống, chúng ta giả sử rằng kỹ thuật xử lý sau cùng sẽ được phát triển để bảo vệ các dòng sông, dự phòng sự

ô nhiễm biển và ao hồ.Tái sinh những công trình nước như việc xử lý nước sử dụng trong công nghiệp và trong sinh hoạt vì sự thiếu hụt nước và kỹ thuật lọc sẽ tiến bộ hơn nữa, việc lọc nhanh các loại vật chất rắn sẽ được phát triển

Anthracite, tỷ lệ các khoảng rỗng và loại vật liệu lọc tốt góp phần vào năng suất lọc và sức hút trọng lực đặc biệt ở các lớp lọc sâu và kỹ thuật lọc mới đang trên đường phát triển

d) Đặc tính kỹ thuật của than Anthracite

 Kích thước hạt 1.4 – 3.5mm, 0.7 – 1.2mm

 Tỷ trọng:700 – 800 kg/m3 (tùy theo kích thước)

 Thành phần hóa học cơ bản: cacbon 95%

 Dạng hạt màu đen, khô rời, có góc cạnh

 Sản xuất tại Việt Nam

 Công dụng: loại bỏ tạp chất lơ lửng trong nước Có thể sử dụng chung với cát trong các bể lọc

 Có thể sử dụng trong các bể lọc hở hoặc bể lọc áp lực, hướng lọc từ trên xuống

d) Tiêu chuẩn nguyên liệu

Bảng 5.1 Tiêu chuẩn nguyên liệu than Anthracite

Khoản mục Tiêu chuẩn chất lượng (% trọng lượng) kiểm tra (1) Sản phẩm kiểm tra (2) Sản phẩm

(Nguồn : Huỳnh Ngọc Bích,Luận văn tốt nghiệp, 2004)

Tỷ lệ cacbon cố định : Chỉ định độ tinh khiết của Anthracite Tỷ lệ càng lớn thì độ trơ đối với hoá chất và độ cứng vật lý càng lớn

Tỷ lệ tro: Chỉ định độ không tinh khiết của Anthracite

5.2.2.2 Vật liêu lọc Toyolex

a) Giới Thiệu về Toyolex

Toyolex là loại vật liệu lọc được nghiên cứu đặc biệt để ứng dụng vào quá trình oxy hoá bằng không khí, các vật liệu lọc này đặc biệt hiệu quả khi dùng cho nước ngầm có hàm lượng sắt cao

Mặc dù nhiều khi phải chạy để tái tạo sắt hydroxit bám trên vật liệu lọc thành một dạng sắt hydroxit thích hợp trong nước vì dùng không khí tự nhiên làm chất oxy hoá nên giảm giá thành được nhiều, nên vật liệu lọc này rất thích hợp cho việc xử lý nước dùng cho công nghiệp và nước cho sinh hoạt, nước uống với khối lượng lớn

Không khí làm tác nhân oxy hoá được nạp trước vào bình lọc để cho oxy được trộn đều với nước nguồn Khi nước nguồn vào tiếp xúc với vật liệu lọc, lúc đó vật liệu lọc làm chức năng như chật xúc tác oxy hoá, quá trình lọc và oxy hoá diễn ra ngay lập tức Vì khả năng oxy hoá của oxy trong không khí kém hơn so với chlor và nước Javen, hệ thống lọc nên được thiết kế sao cho không khí được trộn đều trong nước nguồn và đủ thời gian để phản ứng có hiệu quả Như vậy việc lọc sẽ

rất hiệu quả Tuy nhiên khi có lượng silíc hoà tan lớn thì sẽ xảy ra phản ứng ngược lại (chất sắt sẽ trở thành dạng keo) Trong trưòng hợp nước nguồn có chứa một lượng lớn acid carbonic và bicacbonate tự do thì bơm khí dioxide cacbon vào luồng khí Khi độ pH thấp hơn 6.5 thì điều chỉnh độ pH trước khi cho xử lý

b) Đặc tính kỹ thuật của Toyolex:

1- Quy cách cỡ hạt

 0.5 ÷ 0.8 mm

 0.8 ÷ 1.2 mm

 1.2 ÷ 1.7 mm

2- Ứng dụng: Khử sắt, dùng khi hàm lượng sắt tương đối cao đến rất cao

3- Chất làm tác nhân oxy hoá: Không khí

4- Tốc độ nước rửa ngược tuỳ thuộc kích cỡ hạt

 0.5 ÷ 0.8 mm 35m/h

 0.7 ÷ 1.2 mm 50m/h

 1.2 ÷ 1.7 mm 60m/h

c) Những điều cần lưu ý

 Toyolex là loại vật liệu lọc ứng dụng quá trình oxy hoá bằng không khí Vật liệu lọc này rất hiệu quả khi dùng cho nước ngầm có hàm lượng sắt cao Oâxy hoá bằng không khí tự nhiên nên giá thành hạ, đặc biệt thích ứng cho xử lý nước phục vụ công nghiệp – sinh hoạt – nước uống với khối lượng lớn

 Không khí cần được trộn đều với nguồn nước thô trước khi vào lọc

 Thời gian lưu nước thô đã trộn không khí từ 15’ đến 30’ tuỳ thuộc tính chất nguồn nước

 pH trước khi vào lọc phải bảo đảm ≥ 6,5

 Chiều cao vật liệu lọc được bố trí trong các bình lọc phụ thuộc vào tốc độ lọc và chất lượng nước nguồn, trung bình chiều dày lớp lọc là 1,2m, nhưng giới hạn mức thấp nhất > 0,6m

 Vận tốc lọc trung bình từ 10m/h ÷ 30m/h tuỳ thuộc vào chất lượng nước nguồn

 Rửa vật liệu lọc bằng nước sạch sau mỗi chu kỳ lọc

5.3 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

Hình 5.1 Mô hình thí nghiệm khử sắt trong nước ngầm

Mô hình thí nghiệm được đặt tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường với các thông số kỹ thuật như sau:

Bảng 5.2.Thông số kỹ thuật của mô hình

1 Thùng chứa A Thùng nhựa 45 lít

2 Giàn mưa K Làm bằng inox, có 5 sàn tung nước, số lỗ trên mỗi

sàn tung là 196 và khoảng cách giữa các lỗ là 6 mm

L x B x H = 0.5 x 0.5 x 1.65

3 Bể tiếp xúc B Làm bằng inox, L x B x H = 0.5 x 0.5 x 0.5

4 Bể lắng C Thùng nhựa 45 lít

5 Bể lọc D Thùng nhựa 60 lít, có đục lỗ thu nước bên dưới, cho

4

3

C

D

E

F

5

6

7

G K

10cm sỏi đỡ + 40cm cát lọc

6 Bể chứa E Thùng nhựa 45 lít

7 Cột lọc F Được làm bằng inox có đường kính Þ100, cao

2m.Phía dưới là lớp sỏi đỡ 10cm + 80cm vật liệu Toyolex và than Anthracite (tỉ lệ 70 : 30)

8 vật liệu Toyolex

và than

Anthracite

vật liệu Toyolex có màu vàng lục, đường kính d= 0.7

÷ 1.2mm và than Anthracite có màu đen, đường kính

d =1.4 – 3.5mm

9 Thùng chứa G Thùng nhựa 45 lít

10 Bơm 1,2,3 Bơm chìm

11 Hệ thống ống nối Oáng nhựa PVC Þ21

( Nguồn : Huỳnh Ngọc Bích,Luận văn tốt nghiệp, 2004 )

5.4 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

5.4.1.Chuẩn bị

Kiểm tra và rửa sạch mô hình

Chuẩn bị mẫu nước 180 lít lấy từ Công ty Tiền Vĩnh Thành

Lấy mẫu nước (M0 ) xác định sắt.

5.4.2.Chạy mô hình

Bật bơm 1, bơm nước lên giàn mưa, chỉnh lưu lượng bằng van số 4 (Q = 5 l/phút), nước được bơm lên giàn mưa và rơi qua các sàn tung nước xuống bể tiếp xúc B, tại đây sẽ được xục khí với mục đích làm giàu oxy cho nước tạo điều kiện để oxi hoá Fe2+ thành

Fe3+ thực hiện quá trình thuỷ phân tạo thành hợp chất ít tan Fe(OH)3.

Sau khi nước trong bể tiếp xúc B đầy đến van số 5 sẽ được tự chảy sang bể lắng

C, tại đây lấy mẫu nước (M1) đi xác định sắt.

Nước từ bể lắng C, sẽ được bơm số 2 bơm lên bể lọc thô D (với lưu lượng tương đương bơm số 1), tại đây hợp chất kết tủa Fe(OH)3 sẽ được giữ lại bởi lớp cát lọc

Nước sau lọc sẽ được tự chảy xuống bể chứa D theo nguyên tắc trọng lực, tại bể

chứa D lấy mẫu nước (M2) đi xác định sắt Lượng sắt còn lại sau khi lọc sẽ được

lọc qua lớp vật liệu than Anthracite và Toyolex ở bên cột lọc F

Nước từ bể chứa E được bơm số 3 bơm lên cột lọc F, bên trong cột lọc F phía dưới cùng được cho một lớp sỏi đỡ khoảng 10cm, tiếp theo là vật liệu Toyolex khoảng 40cm và trên cùng là Than Anthracite với độ dày 40cm Lưu lượng nước qua cột lọc F được điều chỉnh bằng van số 7 với lưu lượng giống như bơm số 1,2 và được xả lọc đầu từ 15 – 20 phút (tương đương 100 lít nước)

Nước sau khi qua cột lọc F sẽ được chứa vào bể chứa G, tại đây lấy mẫu nước

(M3) đi xác định sắt tổng, lấy cách khoảng 3 phút một mẫu.

5.5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Bảng 5.3 Kết quả phân tích thí nghiệm

Vị trí lấy mẫu Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4

M 0 (mg/l) Tại giếng của

Công ty 24.2 25.3625 25.2214 26.8542

M 1 (mg/l) Tại bể lắng C 18.6 17.2453 19.9564 21.5244

M 2 (mg/l) Tại bể chứa D 9.8 10.2532 10.5249 9.7866

M 3 (mg/l) Tại bể chứa G 0.01 0.0146 0.0132 0.0135

r Chuẩn độ Chuẩn độ Chuẩn độ

H: Hiệu suất chuyển hóa sắt