Đề tài Xác định các tính chất của vật liệu lọc

Mở đầu Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Mở đầu Đặt vấn đề: Nước là tài nguyên quan trọng nhất của loài người và sinh vật trên trái đất. Con người mỗi ngày cần 250 lít nước cho sinh hoạt; 1500 lít nước cho sinh hoạt công nghiệp và 2000 lít nước cho hoạt động nông nghiệp. Nước chiếm 99% trọng lượng sinh vật trong môi trường nước và 44% trọng lượng cơ thể con người. Để sản xuất 1 tấn giấy cần 250 tấn nước, 1 tấn đạm cần 600 tấn nước và 1 tấn chất bột cần 1000 tấn nước… Ngoài chức năng tham gia vào chu trình sống, nước còn là chất mang năng lượng (hải triều, thủy năng), chất mang vật liệu và tác nhân điều hòa khí hậu, thực hiện các chu trình tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. Có thể nói sự sống của mọi con người và mọi sinh vật trên trái đất phụ thuộc vào nước. Nước sinh hoạt hiện nay đang là vấn đề quan tâm của tất cả mọi người, nhất là ở những khu vực không có nguồn nước sinh hoạt và cả những khu vực đã có nguồn cấp nhưng thất thường không đảm bảo. Vấn đề này ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng cuộc sống và sản xuất của người dân. Hiện nay trên thế giới vẫn còn 1/3 dân số trên thế giới sống trong tình trạng thiếu nguồn nước để sinh hoạt hàng ngày. Nếu không có biện pháp thích ứng trong việc phân phối và tái tạo nguồn nước thì theo ước tính đến năm 2025 sẽ có 2/3 dân số không đủ nước để sử dụng. Trên thế giới, lượng nước ngầm bị thất thoát hàng năm là 160 tỷ m3 nước, tương đương lượng lương thực nông phẩm cho nhân loại. Do đó việc xử lý và tái sử dụng nước thải sinh hoạt của người dân là ưu tiên hàng đầu. Thêm nữa, nếu lượng nước thải hồi không được xử lý số nước này sẽ làm ô nhiễm mạch nước ngầm khiến cho tình trạng khan hiếm nước sạch càng tăng thêm. Thành phố Hồ Chí Minh là một đô thị lớn, không những giữ vai trò trung tâm kinh tế, văn hóa, du lịch … đối với khu vực phía Nam mà còn là đầu mối giao lưu và cửa ngõ hướng ra thế giới của Việt Nam. Với chính sách đổi mới mở cửa, TPHCM đã quyết tâm thực hiện công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, TPHCM đã hình thành thêm các quận mới, các khu đô thị mới và các khu công nghiệp tập trung, đồng thời với công trình chỉnh trang lại các khu vực nội thành cũ (chương trình kênh Nhiêu Lộc Thị Nghè), giải tỏa nhiều xóm nhà ổ chuột, xây dựng nhiều khu dân cư mới. Tốc độ phát triển đô thị nhanh chóng cùng với nhịp độ tăng trưởng của các ngành nghề, dịch vụ du lịch, nhịp độ tăng trưởng dân số với mức sống ngày càng được nâng cao của người dân thành phố đòi hỏi phải đáp ứng nhiều nhu cầu cần thiết, trong đó có các nhu cầu cấp bách liên quan đến cuộc sống hàng ngày của người dân như : thông tin liên lạc, giao thông, điện, nước … Trong đó đặc biệt nhất là cung cấp nước sạch đảm bảo vệ sinh và đạt tiêu chuẩn cho người dân. Vì vậy việc nghiên cứu xử lý chất lượng nước ngầm là rất cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu Mục đích của nghiên cứu được đặt ra là: sử dụng các loại vật liệu lọc khác nhau (vật liệu lọc đa năng ODM – 2F, cát thạch anh, sỏi đỡ, Ferrolite) để xác định hàm lượng sắt và mangan của nước ngầm sau khi qua hệ thống lọc so với tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống (Ban hành kèm theo Quyết định số 1329/2002/BYT – QĐ, ngày 18/4/2002) và tiêu chuẩn chất lượng nước sạch dùng thiết kế các công trình xử lý nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt ( TCXDVN 33:2006). Nội dung nghiên cứu Xác định các tính chất của vật liệu lọc: Thành phần độ hạt. Độ bền cơ học. Độ bền hóa học. Xác định hàm lượng sắt, mangan, độ kiềm, độ pH, độ oxy hòa tan, tổng chất rắn hòa tan (TDS). Phương pháp nghiên cứu Sử dụng các loại vật liệu lọc khác nhau nhằm xác định hàm lượng sắt và mangan, độ pH, độ kiềm, độ oxy hòa tan, tổng chất rắn hòa tan (TDS) xem loại vật liệu lọc nào phù hợp với chất lượng nước theo yêu cầu của tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống (Ban hành kèm theo Quyết định số 1329/2002/BYT – QĐ, ngày 18/4/2002) và tiêu chuẩn chất lượng nước sạch dùng thiết kế các công trình xử lý nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt (TCXDVN 33:2006). Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là nước ngầm được Công ty Cấp nước Trung An khai thác và xử lý cung cấp nước cho khu vực quận Gò Vấp và quận 12. Phạm vi nghiên cứu để xác định các hàm lượng sắt và mangan, độ pH, độ kiềm, độ oxy hòa tan, tổng chất rắn hòa tan (TDS) được thực hiện tại phòng thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh. CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN XÍ NGHIỆP CẤP NƯỚC TRUNG AN Lịch sử hình thành và phát triển về Xí nghiệp Cấp nước Trung An Mô hình tổ chức của Xí nghiệp Cấp nước Trung An Xí nghiệp Cấp nước Trung An trạm Cấp nước Gò Vấp Cơ cấu tổ chức bộ máy và chức năng nhiệm vụ của các Ban – Đội – Trạm thuộc Xí nghiệp cấp nước Trung An Cơ cấu tổ chức bộ máy Chức năng nhiệm vụ của các Ban – Đội – Trạm Trạm cấp nước Gò Vấp CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN XÍ NGHIỆP CẤP NƯỚC TRUNG AN 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của xí nghiệp cấp nước trung an Xí nghiệp Cấp nước Trung An được thành lập ngày 25/12/2005 theo quyết định số 336/QĐ-TCT-TCNS trực thuộc Tổng công ty Cấp nước Sài Gòn trên cơ sở tổ chức lại Xí nghiệp Khai thác nước ngầm trước đây. Xí nghiệp Cấp nước Trung An là một đơn vị hoạch toán kinh tế phụ thuộc, được đăng ký kinh doanh quy định pháp luật, có con dấu riêng để giao dịch, được mở tài khoản chuyên dùng tại ngân hàng và có phạm vi hoạt động theo sự phân cấp – ủy quyền của Tổng công ty ( Cấp nước Sài Gòn). Xí nghiệp Cấp nước Trung An có các ngành nghề kinh doanh như sau: Quản lý, phát triển hệ thống cấp nước, khai thác, sản xuất và cung ứng, kinh doanh nước sạch cho nhu cầu tiêu dùng, sản xuất (trên địa bàn được phân công theo quyết định của Tổng công ty Cấp nước Sài Gòn). Tư vấn xây dựng các công trình cấp nước, công trình dân dụng – công nghiệp. Thiết kế, lập dự án, thẩm tra thiết kế các công trình cấp nước, dân dụng và công nghiệp. Thi công xây dựng công trình cấp nước. Tái lập mặt đường đối với các công trình chuyên ngành cấp nước và các công trình khác. Trụ sở giao dịch của Xí nghiệp Cấp nước Trung An: Số 66, đường Trần Quốc Tuấn, phường 1, quận Gò Vấp, Thành phố Hồ Chí Minh 1.2 Mô hình tổ chức của xí nghiệp cấp nước Trung An (Hình 1: Mô hình tổ chức của Xí nghiệp Cấp nước Trung An) 1.3 Xí nghiệp cấp nước trung an trạm cấp nước gò vấp Trưởng trạm Phó trạm Tổ trưởng sản xuất Tổ 1 Tổ 2 Tổ 3 (Hình 2: Mô hình tổ chức của trạm Gò Vấp) 1.4 Cơ cấu tổ chức bộ máy và chức năng nhiệm vụ của các ban, đội, trạm thuộc xí nghiệp cấp nước Trung An 1.4.1 Cơ cấu tổ chức bộ máy: Xí nghiệp được tổ chức, quản lý điều hành bởi 01 Giám đốc theo chế độ thủ trưởng, giúp việc cho Giám đốc có 03 Phó giám đốc. Các thành viên của Ban Giám đốc Xí nghiệp do Tổng giám đốc bổ nhiệm có thời hạn theo quy định của Tổng công ty. Mô hình tổ chức bộ máy của Xí nghiệp gồm các ban – đội chuyên môn, nghiệp vụ thực hiện các nhiệm vụ được phân công theo từng lĩnh vực công tác, bao gồm: Ban Giám đốc: Giám đốc. Phó giám đốc phụ trách Khối nội chính và Kinh doanh. Phó giám đốc phụ trách Khối kỹ thuật và Xây dựng cơ bản. Phó giám đốc phụ trách Khối sản xuất. Các ban, đội, trạm: Ban Tổ chức – Hành chánh. Ban Kế toán – Vật tư – Tổng hợp. Ban Kỹ thuật – Công nghệ. Ban Quản lý dự án. Ban Kiểm tra – Kiểm toán. Ban Kế toán – Tài chính. Đội thu tiền. Đội Quản lý đồng hồ nước Đột Thi công – tu bổ. Trạm cấp nước Bình Trị Đông. Trạm cấp nước Gò Vấp. Chức năng nhiệm vụ cụ thể của từng ban – đội do Giám đốc chi nhánh quy định trên cơ sở các quy định chung về tổ chức – hoạt động của hệ thống bộ máy do Tổng công ty ban hành. Mỗi ban, đội được chia thành nhiều tổ chuyên môn – nghiệp vụ để đảm bảo việc giải quyết công việc theo từng lĩnh vực công tác được giao. 1.4.2 Chức năng nhiệm vụ của các Ban – Đội – Trạm BAN TỔ CHỨC - HÀNH CHÁNH : Chức năng : Công tác tổ chức nhân sự : Căn cứ vào kế hoạch và yêu cầu sản xuất của Xí Nghiệp, chủ động đề xuất với Ban Giám Đốc về việc sắp xếp tổ chức bộ máy và bố trí CBCNV một cách hợp lý. Thực hiện các chế độ chính sách có liên quan đến CBCNV. Công tác Hành chánh – quản trị : Tổ chức tốt công tác văn thư đánh máy, hành chánh quản trị. Quản lý toàn bộ xe máy phục vụ sản xuất và đi lại giao dịch công tác của CBCNV Xí Nghiệp. Tổ chức tốt công tác bảo vệ, quản lý toàn bộ tài sản sự nghiệp hành chánh tại Xí Nghiệp. Thay mặt Giám đốc tiếp và yêu cầu các Ban – Đội – Trạm giải quyết thỏa đáng các khiếu kiện, thắc mắc của khách hàng trong lĩnh vực cấp nước. Tổ chức thực hiện tốt công tác bảo hộ lao động, phòng cháy chữa cháy. Nhiệm vụ: Công tác tổ chức: Tham mưu cho Ban Giám Đốc trong việc đề bạt, bổ nhiệm Cán bộ phân cấp quản lý và có kế hoạch tổ chức bồi dưỡng, học tập để nâng cao trình độ mọi mặt cho cán bộ công nhân viên. Quản lý cập nhật toàn bộ hồ sơ lý lịch CNV, quản lý thống nhất lực lượng lao động tại Xí Nghiệp. Giám sát việc thực hiện phân công lao động của các Ban, Đội, Trạm. Soạn thảo các loại văn bản, quy định phục vụ cho công tác chỉ đạo, lãnh đạo của Ban Giám Đốc. Thực hiện việc phân phối và cấp phát tiền lương, đề nghị nâng lương, thi nâng bậc cho CBCNV đúng thời gian, đúng theo quy định. Phổ biến kịp thời đầy đủ các chế độ chính sách của Đảng và Nhà nước đến CBCNV để biết. Phối hợp với Ban Chấp Hành Công Đoàn đề xuất khen thưởng CBCNV đạt thành tích xuất sắc và theo dõi công tác thi đua của Xí Nghiệp. Hành chánh - Quản trị: 1/ Quản lý và sử dụng con dấu của Xí Nghiệp theo đúng quy định của Nhà nước. 2/ Đánh máy, in ấn, tiếp nhận, chuyển, lưu trữ công văn, truyền đạt các ý kiến chỉ đạo của lãnh đạo Xí nghiệp đến các Ban, Đội, Trạm thi hành. 3/ Quản lý và điều phối phương tiện vận chuyển, quyết toán nhiên liệu theo định mức phục vụ cho công tác sản xuất, đi lại giao dịch theo yêu cầu của Ban Giám Đốc, các Ban, Đội, Trạm. 4/ Cấp phát thuốc chữa bệnh thông thường và tập hợp chứng từ trị bệnh của CBCNV thanh toán hàng tháng theo quy định. 5/ Tổ chức tốt công tác bảo vệ tài sản, bảo đảm an toàn cho đơn vị không để xảy ra cháy, nổ, mất cắp ... 6/ Lập kế hoạch quản lý kiểm tra công tác bảo hộ lao động, an toàn lao động và phòng cháy chữa cháy. Quyền hạn: Tham gia thảo luận và đề xuất tổ chức bộ máy của Xí Nghiệp. Đề xuất điều động, đề cử đối với các chức danh cán bộ do Xí Nghiệp quản lý. Tổ chức kiểm tra việc thực hiện định mức lao động, quản lý lao động và các chính sách khác có liên quan đến người lao động. Đề nghị khen thưởng, kỷ luật công nhân viên được qui định theo Bộ Luật Lao động. Chủ động điều hành các phương tiện làm việc đã được trang bị để đáp ứng yêu cầu công tác hằng ngày. Aùp dụng các biện pháp thích hợp trong công tác bảo vệ phòng cháy chữa cháy và duy trì an ninh trật tự cơ quan. BAN KẾ TOÁN TÀI CHÍNH Chức năng: Ban kế toán tài chính là bộ phận tham mưu cho Ban Giám đốc Xí nghiệp trong các lĩnh vực tài chính kế toán: Quản lý, sử dụng quỹ ứng trước (nguồn vốn, vốn) được giao, tổ chức công tác kế toán tài chính theo Pháp luật của Nhà nước Tổ chức hạch toán nội bộ. Quản lý tài sản cố định và lưu động. Phân tích đánh giá hiệu quả về công tác tài chính, về sản xuất kinh doanh. Nhiệm vụ: Lập kế hoạch tài chính định kỳ, đáp ứng kế hoạch sản xuất hàng năm của Xí Nghiệp. Tổ chức quản lý tiền mặt, quỹ ứng trước. Tổ chức việc thu - chi tiền mặt có liên quan với Xí Nghiệp đầy đủ, chính xác đúng theo chế độ tài chính kế toán hiện hành. Tổ chức quản lý toàn bộ vật tư, tài sản nhà đất của Xí Nghiệp. Kiểm tra giám sát giá cả vật tư, máy móc thiết bị mua vào có hiệu quả. Ban kế hoạch – Vật tư – Tổng hợp Chức năng: Ban Kế hoạch vật tư tổng hợp là một bộ phân tham mưu cho Ban Giám đốc Xí nghiệp trong các lĩnh vực sau: Công tác xây dựng và điều độ thực hiện kế hoạch sản xuất kinh doanh, quản lý, cung ứng vật tư, hóa chất, máy móc thiết bị của Xí nghiệp. Theo dõi đánh giá tiến độ thực hiện và hiệu quả sản xuất kinh doanh. Tổng hợp báo cáo tình hình hoạt động sản xuất kinh doanh của Xí nghiệp. Nhiệm vụ: Xây dựng, theo dõi thực hiện và báo cáo việc thực hiện kế hoạch sản xuất. Lập kế hoạch dự trù mua vật tư, thiết bị, hóa chất sử dụng cho sản xuất. Quản lý, cấp phát vật tư, thiết bị cho công tác sửa chữa. Lập và theo dõi việc thực hiện và quyết toán hợp đồng thi công, sửa chữa các công trình được giao và bảo trì máy móc. Ban Kỹ thuật – Công nghệ Chức năng: Tham mưu cho Ban Giám đốc trong công tác quản lý kỹ thuật cấp nước, quản lý chất lượng, kỹ thuật an toàn trong sản xuất và định mức kinh tế kỹ thuật. Tham mưu cho Giám đốc trong việc xây dựng kế hoạch và triển khai thực hiện công tác chống thất thoát nước. Quản lý, ứng dụng công nghệ thông tin vào hoạt động của Xí nghiệp. Nhiệm vụ: Lập phương án sửa chữa, cải tạo các sự cố máy móc, công trình kiến trúc trạm bơm theo phạm vi được phân cấp. Chịu trách nhiệm kiểm tra, giám sát về chất lượng, tiến độ thực hiện các công trình thi công – sửa chữa. Chịu trách nhiệm kiểm tra chất lượng vật tư, máy móc, trang thiết bị. Quản lý hồ sơ kỹ thuật, cập nhật thông tin. Chịu trách nhiệm kiểm nghiệm chất lượng nguồn nước cung cấp và hóa chất mua vào. Ban Quản lý dự án Chức năng: Tổ chức quản lý và thực hiện các dự án xây dựng cơ bản và phát triển mạng lưới cấp nước theo phân cấp. Nhiệm vụ: Quản lý dự án đầu tư xây dưng cơ bản. Tổ chức đấu thầu và theo dõi việc thực hiện các công trình xây dựng cơ bản. Thanh quyết toán, nghiệm thu, bàn giao công trình. Tổ chức giám sát các công trình xây dựng cơ bản. Ban Kiểm tra – Kiểm soát Chức năng: Kiểm tra, giám sát các hoạt động nghiệp vụ cấp nước trong nội bộ Xí nghiệp. Kiểm tra, kiểm soát việc thực hiện quy định về cung cấp, sử dụng nước. Tiếp nhận, giải quyết khiếu tố, khiếu nại, xử ly1 các vi phạm liên quan đến cung cấp và tiêu thụ nước của khách hàng. Xác lập danh bộ, hợp đồng, lộ trình đọc số theo quy định của Tổng công ty. Kiểm định, mã hóa chỉ số tiêu thụ thực sự trên hóa đơn tiêu thụ nước. Nhiệm vụ: Thực hiện các quy định về kiểm soát thanh tra trong nội bộ Xí nghiệp Xây dựng và thực hiện kế hoạch kiểm tra, kiểm soát định kỳ và đột xuất trong nội bộ Xí nghiệp. Kiểm tra, xác minh, kết luận và đề xuất biện pháp xử lý CB-CNV của Xí nghiệp vi phạm các quy đinh trong công ty. Thực hiện ngưng cung cấp nước đối với các danh bộ có số tiêu thụ bất thường. Phát hiện và đề xuất biện pháp xử lý đối với trường hợp cho code, mã số giá biểu, định mức sai qui định. Lập biên bản các trường hợp vi phạm quy định sử dụng nước và xác minh mức thiệt hại để yêu cầu bồi thường. Đội thu tiền Chức năng: Đội thu tiền là một bộ phận tác nghiệp của Xí nghiệp trong các lĩnh vực sau: Quản lý việc thu tiền sử dụng nước và nộp tiền hàng ngày theo quy định. Quản lý và giải trách hóa đơn. Đề xuất cắt – hủy danh bộ đối với khách hàng nợ tiền nước theo quy định. Nhiệm vụ: Tiếp nhân hóa đơn và tổ chức thu tiền nước khách hàng. Quản lý an toàn về tiền nước, hóa đơn tiền nước. Đội quản lý đồng hồ nước Chức năng: Quản lý tất cả đồng hồ nước, khách hàng tiêu thụ nước trên địa bàn hoạt động của Xí nghiệp. Biên đọc chỉ số đồng hồ nước theo quy định. Quản lý tình trạng hoạt động của các loại đồng hồ nước trong phạm vi của Xí nghiệp. Nhiệm vụ: Quản lý, cập nhật tất cả các danh bộ các đồng hồ nứơc theo từng Phường, Quận trong khu vực quản lý của Xí nghiệp. Đăng ký lịch trình đọ chỉ số đồng hồ nước. Tổ chức biên đọc chỉ số tiêu thụ nước của khách hàng. Phát hiện, phản ánh kịp thời các trường hợp thay đổi của đối tượng sử dụng nước để điều chỉnh giá biểu, định mức nước sử dụng. Tham mưu cho Giám đốc về công tác chống thất thoát nước vô hình. Đội tu bổ thi công Chức năng: Duy tu bảo dưỡng, sửa chữa máy móc thiết bị các trạm giếng và hệ thống mạng lưới cấp nước. Thi công các công trình cấp nước. Theo dõi, kiểm tra và vận hành hệ thống ổ khóa các công trình công cộng nằm trên hệ thống mạng lưới cấp nước. Quản lý và điều độ xe máy, thiết bị thi công xây lắp chuyên dùng. Nhiệm vụ: Theo dõi, kiểm tra hệ thống ổ khóa, hệ thống mạng lưới cấp nước. Thi công bảo trì, sửa chữa máy móc, thiết bị các trạm cấp nước và các giếng theo kế hoạch được duyệt. Tổ chức thi công các công trình và sửa chữa các công trình cấp nước. Đánh giá tình hình hệ thống mạng lưới, đề xuất cải tạo, điều áp mạng lưới. Theo dõi kiểm tra công tác tái lập và tham gia tái lập mặt đường. Thay đồng hồ nước định kỳ hoặc đột xuất theo quy định của Tổng công ty. Trạm Cấp nước Bình Trị Đông và Trạm Cấp nước Gò Vấp Chức năng: Khai thác và xử lý nước ngầm thành nước sạch cung cấp cho nhu cầu sinh hoạt của người dân trên địa bàn được phân công. Nhiệm vụ: Quản lý, điều hành hoạt động khai thác nguồn nước ngầm từ các giếng đang hoạt động thuộc trạm xử lý. Xử lý nguồn nước ngầm thành nước sạch đạt các tiêu chuẩn phụv vụ tiêu dùng. Cung cấp nước sạch đến khách hàng. 1.4.3 Trạm cấp nước Gò Vấp: Địa chỉ: 107/12 Lê Văn Thọ, phường 11, quận Gò Vấp Cơ cấu tổ chức: Trạm cấp nước Gò Vấp có 01 Trưởng trạm phụ trách chung, 01 Trạm phó kỹ thuật giúp việc và 01 Tổ trưởng Tổ Vận hành kiêm Thư ký Trạm và 01 Tổ trưởng Tổ vận hành trực tiếp sản xuất. Chức năng: 1/- Trạm cấp nước Gò Vấp có chức năng quản lý và điều hành 16 trạm bơm giếng vệ tinh và trạm xử lý, cấp nước cho nhu cầu sản xuất và sinh hoạt của nhân dân thuộc điạ bàn Quận Gò Vấp (Giai đoạn I: 8 giếng và trạm trung tâm). 2/- Quản lý và sử dụng toàn bộ máy móc thiết bị, vật tư, trang thiết bị lắp đặt và sử dụng hóa chất theo đúng quy trình kỹ thuật và đảm bảo an toàn. 3/- Quản lý và kiểm tra báo bể toàn bộ hệ thống đường ống nước thô của trạm. Nhiệm vụ: 1/- Quản lý, bố trí công nhân vận hành ở các trạm bơm phù hợp. Theo dõi chấm công, kiểm tra giờ vận hành. 2/- Bảo quản, sử dụng, vận hành các loại máy móc thiết bị, vật tư, hóa chất đúng quy trình, quy phạm kỹ thuật và các tài sản, công trình kiến trúc, khuôn viên của các trạm bơm. 3/- Bảo quản, lưu trữ các hồ sơ, tài liệu, số liệu có liên quan đến máy móc thiết bị và hoạt động của các trạm bơm. 4/- Đảm bảo tốt công tác an toàn lao động, vệ sinh công nghiệp và vệ sinh môi trường trong phạm vi khuôn viên của các trạm bơm. 5/- Thường xuyên kiểm tra và trang bị đầy đủ những phương tiện phòng cháy chữa cháy cho các trạm bơm. 6/- Kiểm tra và báo cáo các sự cố của máy móc thiết bị của các trạm bơm. 7/- Lập sổ theo dõi, báo cáo sản lượng, chất lượng nước khai thác, lượng hóa chất sử dụng. 8/- Theo dõi, xác nhận sản lượng điện tiêu thụ cho sản xuất. 9/- Chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ hệ thống mạng ống nước thô truyền dẫn từ các trạm bơm giếng vệ tinh về trạm xử lý. 10/- Tổ chức tốt công tác vận hành, bảo vệ tại trạm xử lý và các trạm bơm giếng vệ tinh, đảm bảo máy móc hoạt động liên tục, an toàn không xảy ra cháy, nổ, mất cắp, … CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KHỬ SẮT VÀ MANGAN TRONG NƯỚC NGẦM Tổng qua về sắt Trạng thái tồn tại của sắt trong thiên nhiên Các phương pháp vật lý thông dụng có triển vọng hiện nay để xử lý sắt trong nước Các phương pháp khử sắt Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng Phản ứng oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ trong môi trường tự do (phản ứng đồng thể) Phản ứng oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ trong môi trường dị thể của các lớp vật liệu lọc (khử sắt bằng làm thoáng đơn giản và lọc) Phản ứng oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ khi có mặt lớp màng xúc tác là oxit mangan Khử sắt bằng phương pháp dùng hóa chất 2.3.1.1 Khử sắt bằng vôi 2.3.1.2 Khử sắt bằng Clo 2.3.1.3 Khử sắt bằng kali permanganat (KMnO4) 2.4 Các phương pháp khử sắt khác 2.4.1 Khử sắt bằng trao đổi cation 2.4.2 Khử sắt bằng điện phân 2.4.3 Khử sắt bằng phương pháp vi sinh 2.4.4 Khử sắt ngay trong lòng đất 2.5 Các sơ đồ dây chuyền công nghệ khử sắt 2.5.1 Các giai đoạn công nghệ 2.5.2 Các sơ đồ dây chuyền công nghệ khử sắt bằng phương pháp làm thoáng 2.5.2.1 Làm thoáng bằng dàn mưa 2.5.2.2 Làm thoáng cưỡng bức bằng thùng quạt gio( 2.5.2.3 Làm thoáng đơn giản trên bề mặt lọc nhanh 2.5.2.4 Khử sắt bằng dây chuyền công nghệ có bể lọc áp lực với sơ đồ lọc 1 đợt và sơ đồ lọc 2 đợt. 2.6 Công nghệ khử sắt bằng hóa chất Mangan 2.7 Trạng thái tồn tại của Mangan trong nước tự nhiên 2.8 Các phương pháp khử Mangan 2.8.1 Phương pháp oxy hóa 2.8.2 Phương pháp hóa học 2.8.2.1 Oxy hóa bằng Đioxit clo 2.8.2.2 Oxy hóa bằng Permanganat Kali 2.8.2.3 Oxy hóa bằng ozone 2.9 Phương pháp sinh học 2.9.1 Nguyên tắc 2.9.2 Ưu điểm loại bỏ mangan bằng sinh học 2.9.3 Dây chuyền khử Mangan CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KHỬ SẮT VÀ MANGAN TRONG NƯỚC NGẦM TỔNG QUAN VỀ SẮT 2.1 Trạng thái tồn tại của sắt trong nước thiên nhiên Để chọn được phương pháp khử sắt thích hợp và có hiệu quả tốt, cần phải tìm hiểu các dạng tồn tại và bản chất của sắt có trong nước ngầm. Trong nước thiên nhiên sắt có thể tồn tại dưới dạng các chất vô cơ hòa tan (Fe2+, Fe3+), dưới dạng các hợp chất phân tán nhỏ, các hợp chất hữu cơ và các hợp chất keo. Sự tồn tại của các dạng sắt phụ thuộc vào độ pH và điện thế oxy hóa khử của môi trường. Thành phần hóa học của các lớp đá trên bề mặt vỏ Trái Đất có độ sâu tới 15m tính từ mặt đất chứa nhiều chất khác nhau, trong đó sắt là nguyên tố đứng thứ 4 sau O2, Al, Si nó chiếm 1,6% về trọng lượng. Sự tạo thành các hợp chất sắt trong nước ngầm gồm các dạng sau: Trong nước ngầm sắt được tạo thành do hòa tan các hợp chất sắt hóa trị 2 bởi nước có chứa CO2 theo các phương trình phản ứng: FeO + H2O + CO2 → Fe(HCO3)2 Hoặc FeCO3 + H2O + CO2 → Fe(HCO3)2 Một lý do khác là các hợp chất Fe3+ và Fe2+ trong môi trường khử được diễn ra theo phương trình phản ứng sau: Fe2O3 + 3H2S + H2O → FeS + 3H2O + S Nếu trong nước có chứa CO2 thì phương trình phản ứng tiếp tục xảy ra: FeS + CO2 + H2O → Fe(HCO3)2 + H2S Những phương trình này thường gắn liền với quá trình khử do hoạt động của vi sinh vật yếm khí tạo thành H2S Fe(HCO3)2 ở dạng hòa tan, còn FeS ở dạng keo. Sự tồn tại của các hợp chất này phụ thuộc vào độ kiềm cao thì nó tồn tại ở dạng Fe(HCO3)2, còn nếu độ kiềm thấp thì nó tồn tại ở dạng FeS. Trường hợp khi nước ngầm có chứa khoáng chất Pyrit (FeS2) chảy lộ thiên thì có sự oxy hóa của sunfua sắt để tạo thành các sunfua sắt theo phương trình phản ứng sau: 2FeS2 + 7O2 + 2 H2O → 2FeSO4 + 2H2SO4 Vì vậy, nước ngầm ở các vùng mỏ sắt thường chứa dạng sunfat và có độ pH thấp. Sự hòa tan các hợp chất sắt bởi các axit hoặc các chất hữu cơ để tạo thành các hợp chất sắt phức tạp. Ví dụ: axít humic (HA), axít Fulvic là các sản phẩm phân hủy tự nhiên của thực vật thì có thể tạo phức Fe2+HA khó oxy hóa, khó kết tủa. Các phương pháp vật lý thông dụng, có triển vọng hiện nay để xử lý sắt trong nước Các phương pháp không sử dụng hóa chất: Làm thoáng đơn giản (và lọc) Làm thoáng sâu và lọc Lọc khô Lọc qua các giá lọc Điện keo tụ Làm thoáng 2 lần cho chảy qua các lớp tiếp xúc và lọc Lọc trong các điều kiện ngầm dưới đất với sự bơm vào các vỉa nước bị oxy hóa (phương pháp Viredos) Các phương pháp dùng hóa chất bao gồm: Làm thoáng đơn giản, oxy hóa, lọc Tuyển nổi áp lực, dùng vôi, lọc Dùng vôi, lắng, lọc Làm thoáng, oxy hóa, keo tụ, kết bông, lọc Lọc qua các lớp biến dạng Cation hóa Sự khác nhau của các phương pháp về mặt giá trị được đánh giá theo nhiều cách: độ bền, kỹ thuật, giá trị kinh tế, mức độ đơn giản và các lĩnh vực ứng dụng,… Các phương pháp khử sắt Trong nước ngầm, sắt thường tồn tại dưới dạng ion, sắt có hóa trị 2 (Fe2+) là thành phần của muối hòa tan như: bicacbonat Fe(HCO3)2, sunphat FeSO4. Hàm lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới sâu. Nước có hàm lượng sắt cao, làm cho nước có mùi tanh và có nhiều cặn bẩn màu vàng gây ảnh hưởng rất xấu đến chất lượng nước ăn uống sinh hoạt và sản xuất. Vì vậy, khi trong nước có hàm 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 3 nhóm chính sau: Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng Khử sắt bằng phương pháp dùng hóa chất Các phương pháp khử sắt khác 2.3.1 Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng 2.3.1.1 Phản ứng oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ trong môi trường tự do (phản ứng đồng thể) Phương pháp này là tạo phản ứng oxy hóa trong môi trường tự do bằng O2 có trong không khí, sau đó Fe có hóa trị 2 tiếp tục thủy phân để biến thành Fe có hóa trị 3 ở dạng kết tủa dễ dàng giữ chúng trong các công trình lắng và lọc. Vì vậy, khi đã đạt được mục đích tạo bông kết tủa nhờ công trình làm thoáng (tự nhiên hoặc nhân tạo). Các hợp chất sắt tồn tại trong nước ngầm thường ở dạng sắt có hóa trị 2 (Fe2+) mà phổ biến nhất là Fe(HCO3)2 ở dạng hòa tan trong nước. Nếu ở trạng thái hòa tan đó, ta không thể giữ lại được sắt trong công trình xử lý bằng biện pháp lắng, lọc đó. Do đó, khi chúng giữ lại được sắt trong công trình xử lý dạng cơ học gồm các bể lắng và lọc. Người ta phải biến các hợp chất sắt ở dạng hòa tan thành sắt ở dạng kết tủa để giữ lại nó trong các công trình xử lý. Muốn thực hiện quá trình đó người ta thường dùng các công trình làm thoáng. Mục đích của làm thoáng là tạo điều kiện cho oxy có trong không khí hòa tan trong nước. Trong điều kiện nước đã được làm giàu oxy Fe2+ có trong nước sẽ oxy hóa thành Fe3+ theo phương trình phản ứng sau: 4Fe2+ + O2 + 2H2O → 4Fe3+ + 4OH- Sau đó tiếp tục thủy phân tạo thành Fe(OH)3↓ là chất khó tan và có khả năng tạo keo: Fe3+ + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H+ Trong một số trường hợp đặc biệt Fe2+ có thể bị thủy phân trước: Fe2+ + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H+ Fe(OH)2 tiếp tục bị oxy hóa để tạo thành Fe(OH)3. Tùy theo điều kiện của môi trường, quá trình oxy hóa Fe2+ có thể xảy ra trước, sau đó Fe3+ thủy phân hoặc ngược lại Fe2+ bị thủy phân trước tiếp đó Fe(OH)2 bị oxy hóa để tạo thành Fe(OH)3 hoặc cả 2 quá trình diễn ra đồng thời. Nếu ion OH- càng nhiều (pH càng cao) thì phản ứng thủy phân xảy ra càng thuận lợi, Fe3+ tạo thành sản phẩm càng nhanh thì các phản ứng trung gian xảy ra càng nhanh. Tốc độ oxy hóa Fe3+ bằng oxy phụ thuộc vào nồng độ oxy và độ pH của nước được biểu diễn bằng phương trình động học sau: Trong đó k: là hằng số tốc độ phản ứng oxy hóa Fe2+ bởi oxy phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì phản ứng xảy ra càng nhanh, do đó trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa của Việt Nam việc sử dụng phương pháp này rất phù hợp. [Fe2+][O2][H+] là nồng độ của các ion Fe2+, O2, H+ trong nước tại thời điểm t Phương trình trên cho thấy nếu nồng độ ion H+ càng cao (pH càng thấp) thì tốc độ oxy hóa càng thấp. Do đó một trong những yêu cầu để có thể sử dụng phương pháp làm thoáng thông thường là độ pH của nước nguồn phải lớn hơn hoặc bằng 7. Trong trường hợp độ pH của nước nguồn thấp, để tăng hiệu quả của quá trình xử lý thường phải kiềm hóa (bằng vôi) để tăng độ pH. Nếu trong nước có hợp chất sắt tồn tại dưới dạng Fe(HCO3)2 quá trình oxy hóa Fe2+ và thủy phân Fe3+ có thể biểu diễn bằng phương trình chung: 4Fe(HCO3)2 + 6O2 + 4H2O → 4Fe(OH)3 + 8CO2↑ Các công trình làm thoáng tự nhiên hoặc nhân tạo ngoài việc cung cấp oxy để oxy hóa Fe2+ và thủy phân Fe3+. Nếu trong nước có chứa các hợp chất hữu cơ và các hợp chất khử như H2O, NH4+ thì chúng cũng tiêu thụ 1 lượng oxy hóa chúng. Mặt khác, sau khi Fe3+ thủy phân tạo thành Fe(OH)3 là chất có khả năng tạo keo. Vì vậy, để các hạt keo Fe(OH)3 có khả năng dính kết nhau để tạo thành các bông cặn có thể giữ lại trong các bể lắng và lọc, cần phải có điều kiện thích hợp là pH ≥ 7. 2.3.1.2 Phản ứng oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ trong môi trường dị thể của các lớp vật liệu lọc (khử sắt bằng làm thoáng đơn giản và lọc) Trường hợp này làm thoáng chỉ để cung cấp cung cấp oxy cho nước. Khi làm thoáng, Fe2+ được oxy hóa thành Fe3+ với tỷ lệ nhỏ. Quá trình oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 chủ yếu xảy ra trong lớp vật liệu lọc. Quá trình làm thoáng như vậy, sẽ tạo ra trên bề mặt các hạt vật liệu lọc một lớp màng. Lớp màng này có cấu tạo từ các hợp chất sắt như: Fe2+, Fe3+, Fe(OH)2, Fe(OH)3. Sau khi lớp màng được hình thành, sẽ có tác dụng làm tăng tốc độ oxi hóa Fe2+, lớp màng này còn có khả năng hấp phụ O2. Khi Fe2+ đến gần bề mặt lớp màng xúc tác, quá trình oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 xảy ra ngay trên lớp màng. Tốc độ oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 ngay trên lớp màng lớn hơn rất nhiều trong môi trường đồng thể. Như vậy trong bể lọc không phải xảy ra quá trình lọc các cặn sắt không tan mà là một quá trình phức tạp. Thời gian để tạo thành một lớp màng xúc tác gọi là thời gian luyện vật liệu lọc. Thời gian này lớn hay bé phụ thuộc nhiều yếu tố như: cỡ hạt (cỡ hạt càng lớn, thời gian luyện càng lâu), chiều dày lớp vật liệu lọc (chiều dày lớp vật liệu lớn, thời gian luyện nhỏ), tốc độ lọc (tốc độ lọc lớn, thời gian luyện nhỏ), hàm lượng cặn ( hàm lượng cặn càng lớn, thời gian luyện càng nhỏ). Thời gian luyện cát lọc thay đổi trong phạm vi rộng từ 140 ÷ 330 giờ. Để rút ngắn thời gian luyện cát lọc, người ta đưa thêm vào dung dịch FeSO4 5% với tỷ lệ sau cho hàm lượng sắt trong nước đạt 30 ÷ 40 mg/l. Cho đến nay đã có nhiều nghiên cứu về cấu tạo và thành phần của lớp màng xúc tác, cũng như tác dụng của nó đối với quá trình khử sắt trong bể lọc, hàm lượng sắt còn lại trong nước đạt tiêu chuẩn nước ăn uống sinh hoạt. Tuy nhiên, để việc khử sắt trong môi trường dị thể của lớp vật liệu lọc đem lại hiệu quả kinh tế cao, phạm vi ứng dụng sơ đồ công nghệ khử sắt bằng phương pháp làm thoáng đơn giản và lọc như sau: pH > 6,8. Hàm lượng sắt hóa trị 2 trong nước ngầm không được lớn hơn 15mg/l. Độ oxi hóa của nước ngầm không lớn hơn [0,15(Fe2+)5] mg/l O2, NH4+ <1 mg/l, độ màu của nước ngay sau khi ra bơm khỏi giếng không được vượt quá 15%. 2.3.1.3 Phản ứng oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ khi có mặt lớp màng xúc tác là Oxít mangan Lớp màng oxit mangan là chất xúc tác làm tăng quá trình oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ ngay cả trong trường hợp pH thấp (pH < 5). Các phản ứng tại lớp màng xảy ra như sau: MnOMn2O7 + Fe(HCO3)2 + 2H2O → 4Fe(OH)3↓ + 8CO2 3MnO2 + O2 → MnOMn2O7 Dưới tác dụng của lớp màng MnOMn2O7 khi có hợp chất Fe2+ đi qua, MnOMn2O7 sẽ làm chất xúc tác, kết thúc phản ứng MnOMn2O7 lại được hình thành càng dày, quá trình phản ứng xảy ra càng nhanh. Trong quá trình sử dụng, lớp màng tăng lên đến một giới hạn nhất định thì phải bỏ lớp màng đi để thay thế. Thực tế luyện lớp cát với KMnO4 tạo thành lớp màng MnOMn2O7. 2.3.2 Khử sắt bằng phương pháp dùng hóa chất Khi trong nước ngầm có hàm lượng tạp chất hữu cơ cao, các chất hữu cơ sẽ tạo ra một dạng keo bảo vệ của các ion sắt, như 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 ngầm, khi hàm lượng sắt quá cao đồng thời tồn tại cả H2S thì lượng oxy thu được nhờ làm thoáng không đủ oxy hóa hết H2S và sắt, trong trường hợp này cần dùng đến hóa chất để khử. 2.3.2.1 Khử sắt bằng vôi Phương pháp này có thể áp dụng cả cho nước mặt và nước ngầm. Nhược điểm các phương pháp là phải dùng đến các thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp cho 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 sôđa. 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 của hệ Fe(OH)2/Fe(OH)3 giảm xuống, do đó Fe2+ dễ dàng chuyển thành Fe+3. Sắt 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 như sau: [CaO] = 0,8*[CO2] + 1.8*[Fe] Trong đó: [CaO]: lượng vôi cần thiết cho quá trình (mg/l) [CO2]: hàm lượng CO2 tự do trong nguồn nước (mg/l) [Fe]: tổng hàm lượng sắt trong nước (mg/l) Khi cho vôi vào nước quá trình khử sắt xảy ra theo 2 trường hợp: Trường hợp nước có oxi hòa tan: vôi được coi như chất xúc tác, phản ứng khử sắt diễn ra như sau: 4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 → 4Fe(OH)3 ↓ + 4Ca(HCO3)2 Sắt (III) hydroxit được tạo thành, dễ dàng lắng lại trong bể lắng và giữ lại hoàn toàn trong bể lọc. Trường hợp nước không có oxi hòa tan: khi cho vôi vào nước phản ứng diễn ra như sau: Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 → FeCO3 + CaCO3 + H2O Sắt được khử đi dưới dạng FeCO3 chứ không phải hydroxit sắt. 2.3.2.2 Khử sắt bằng Clo Quá trình khử sắt bằng Clo được thực hiện nhờ phản ứng sau: 2Fe(HCO3)2 + Cl2 + Ca(HCO3)2 + 6H2O → 2Fe(OH)3 + CaCl2 + 6H+ + 6HCO3- Với tốc độ oxy hóa bằng: Để oxy hóa 1mg Fe2+ người ta thấy rằng phải cần đến 0,64mg Cl2 và đồng thời độ kiềm của nước ngầm giảm đi 0,018 mg đl/l. Từ phương trình tốc độ oxy hóa nói trên ta thấy, tốc độ quá trình oxy hóa sắt bằng Clo tăng nhanh khi giảm nồng độ ion H+, tức là lắng 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 nước có 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. Đồng thời với việc khử sắt bằng Clo, các chất hữu cơ cũng được khử khỏi nước, do đó liều lượng Clo cần thiết cho quá trình còn phụ thuộc vào hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước. Thông thường người ta bổ sung một lượng Clo để khử các tạp chất hữu cơ bằng: mCl = 0,5*[O2] (mg/l) Trong đó [O2] – độ oxy hóa bằng kali permanganat của muối tinh chuyển ra oxy. 2.3.2.3 Khử sắt bằng kali permanganat (KMnO4) Khi dùng KMnO4 để khử sắt, quá trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan (IV) hydroxyt vừa được tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử. Phản ứng xảy ra theo phương trình phản ứng sau: 5Fe2+ + MnO4- + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O Thế tiêu chuẩn của một cặp (MnO4- + 8H+)/ (Mn2+ + 4H2O) là Eo = 1,51V và của Fe3+/Fe2+ là 0,77V. Hệ số cân bằng của phản ứng nói trên được tính như sau: Như vậy nồng độ ion do phản ứng tạo ra lớn hơn 63,5 lần nồng độ các ion bị oxi hóa. Trong quá trình khử sắt, các ion Fe3+ được tạo thành sẽ thủy phân và tạo bông cặn ngay nên nồng độ ion Fe3+ trong nước còn không đáng kể. Phản ứng trên vì thế không xảy ra thuận nghịch mà xảy ra theo chiều thuận một cách nhanh và triệt để. Người ta thấy rằng, để khử hết 1mg Fe2+ cần đến 0,564 mg KMnO4. 2.4 Các phương pháp khử sắt khác 2.4.1 Khử sắt bằng trao đổi Cation Cho nước đi qua lớp vật liệu có khả năng trao đổi ion. Các ion H+ và Na+ có trong thành phần lớp vật liệu lọc, sẽ tra đổi với các ion Fe2+ có trong nước. Kết quả Fe2+ được giữ lại trong lớp vật liệu lọc. Lớp vật liệu có khả năng trao đổi ion gọi là Cationit, thường được sử dụng cho nguồn nước có chứa Fe2+ ở dạng hòa tan 2[K]Na + Fe(HCO3)2 → [K]2Fe + 2NaHCO3 2[K]H + Fe(HCO3)2 → [K]2Fe + H2CO3 Cationit có thể được tái sinh bằng NaCl, HCl NaCl + [K]2Fe → [K]Na + FeCl2 HCl + [K]2Fe → [K]H + FeCl2 Cùng với quá trình này, các Ca2+, Mg2+ cũng tham gia trao đổi ion. Phương pháp này đem lại hiệu quả khử sắt cao. Thường dùng kết hợp với làm mềm nước (vì đắt tiền). 2.4.2 Khử sắt bằng điện phân Dùng các cực âm bằng sắt, nhôm, cùng các cực dương bằng đồng, bạch kim hay đồng mạ kền và dùng điện cực hình ống trụ hay hình sợi thay cho tấm điện cực phẳng. 2.4.3 Khử sắt bằng phương pháp vi sinh Cấy các mầm khuẩn sắt trong lớp các lọc của bể lọc. Thông qua hoạt động của các vi khuẩn, sắt được loại bỏ ra khỏi nước. 2.4.4 Khử sắt ngay trong lòng đất Một số nước trên thế giới như Cộng hòa liên bang Đức, Thụy Điển và một nước Bắc Âu đã dùng phương pháp này để khử sắt ngay trong nước ngầm. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là: đưa vào lòng đất nước ngầm đã bão hòa oxy bằng cách dùng máy nén khí bơm không khí hòa trộn với nước tạo thành hỗn hợp khí – nước. Quá trình trao đổi ion sẽ diễn ra giữa các ion sắt với các khoáng chất tạo thành các hợp chất sắt và chúng được giữ lại trong lòng đất. Kết quả là khi hút nước đó lên nó đã được khử sắt. 2.5 Các sơ đồ dây chuyền công nghệ khử sắt 2.5.1 Các giai đoạn công nghệ Giai đoạn khử sắt bao gồm các giai đoạn cơ bản sau: Giai đoạn đưa các hóa nhất vào nước Giai đoạn này gồm các quá trình làm thoáng nước để làm giàu oxy và khử khí cacbonic cùng với việc pha trộn hóa chất vào nước như vôi, phèn, Clo, ôzôn, kali permanganat,… Giai đoạn xử lý sơ bộ Mục đích của giai đoạn này là nhằm tạo ra những điều kiện cho phản ứng oxy hóa khử diễn ra được hoàn toàn, nhanh chóng. Các thiết bị cần thiết cho giai đoạn này là bể lắng tiếp xúc, bể lọc sơ bộ, bể lọc tiếp xúc, bể lắng ngang hoặc lắng trong. Giai đoạn làm sạch Giai đoạn này cần đến các bể lọc khác nhau. Tùy theo hàm lượng và thành phần sắt trong nước nguồn cùng với chất lượng nước nguồn mà qui định qui trình khử sắt cụ thể, thường được xác định bằng thực nghiệm tại chỗ kết hợp với các kết quả tính toán sơ bộ. Khi hàm lượng sắt và khí cacbonic trong nước thấp, qui trình khử sắt có thể cần đến làm thoáng đơn giản và lọc. Khi hàm lượng sắt cao trên 6 mg/l và cần triệt để khí cacbonic qui trình khử sắt sẽ bao gồm cả 3 giai đoạn trên. Đầu tiên là làm thoáng tự nhiên hoặc làm thoáng cưỡng bức sau đó chuyển sang bể lắng tiếp xúc và bể lọc nhanh. 2.5.2 Các sơ đồ dây chuyền công nghệ khử sắt bằng phương pháp làm thoáng 2.5.2.1 Làm thoáng bằng dàn mưa (Hình 3: Sơ đồ công nghệ khử sắt bằng phương pháp làm thoáng tự nhiên) Đây là dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm có chứa sắt phổ biến nhất ở Việt Nam hiện nay, nó có thể áp dụng cho các loại nguồn nước có hàm lượng sắt bất kì, độ pH của nước trước khi làm thoáng ≥ 7, độ kiềm của nước sau khi làm thoáng ≥ 7 mg đl/l. Các công trình xử lý nước công suất nhỏ do các cơ quan, nhà máy, trường học xây dựng để cung cấp nước cục bộ đã sử dụng dây chuyền công nghệ trên. Một số trạm xử lý nước có thể sử dụng vật liệu lọc trong dây chuyền công nghệ khử sắt bằng phương pháp làm thoáng tự nhiên. 2.5.2.2 Làm thoáng cưỡng bức bằng thùng quạt gió (Hình 4: sơ đồ công nghệ khử sắt bằng phương pháp làm thoáng nhân tạo) Dây chuyền công nghệ xử lý trên thường dùng cho loại nguồn nước có hàm lượng sắt lớn hơn 10 mg/l, độ pH <7 và lượng O2 lớn. Nếu trong nước có chứa nhiều CO2 thì quá trình oxy hóa sắt (II) thành sắt (III) sẽ rất khó khăn, trường hợp này cần phải khử CO2 trước khi khử sắt. Mục đích của việc dùng thùng quạt gió (làm thoáng nhân tạo hay làm thoáng cưỡng bức) là thải CO2 để tăng độ pH đến giá trị thích hợp cho quá trình oxy hóa và thủy phân sắt, tốt nhất là đảm bảo pH = 7÷ 7.5. Trong cả hai dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm ( làm thoáng bằng dàn mưa và làm thoáng cưỡng bức bằng thùng quạt gió) nếu chất lượng nước không đủ đảm bảo các điều kiện ứng dụng trong dây chuyền công nghệ khử sắt bằng phương pháp làm thoáng thì có thể kết hợp với việc dùng hóa chất. Nếu nước nguồn có chứa nhiều chất hữu cơ, độ oxy hóa cao hoặc chứa các chất H2S, NH4 vượt quá tiêu chuẩn thì phải khử chúng bằng Clo hay còn gọi là Clo hóa sơ bộ. Nếu sau khi làm thoáng nước có độ kiềm nhỏ hơn 2 mg đl/l và pH<7 thì phải kiềm hóa (thường dùng vôi) để nâng độ pH và độ kiềm theo yêu cầu khử sắt, để tạo điều kiện oxy hóa, thủy phân sắt và tạo bông kết tủa tố. 2.5.2.3 Làm thoáng đơn giản trên bề mặt bể lọc nhanh (Hình 5: Sơ đồ công nghệ khử sắt bằng làm thoáng đơn giản và lọc) Điều kiện áp dụng dây chuyền công nghệ này là hàm lượng sắt toàn phần trong nước nguồn nhỏ hơn 9 mg/l, pH > 0.7, H2S < 1 mg/l, độ oxy hóa nhỏ hơn 6 mg O2/l, tỷ lệ Fe3+/Fe2+ <0.3. Nguyên tắc của phương pháp này cơ bản cũng dựa vào sự oxy hóa sắt (II) thành sắt (III), thủy phân sắt (III) tạo thành hợp chất ít tan. Việc làm thoáng đơn giản được thực hiện bằng hệ thống phân phối nước để phun mưa trên mặt bể lọc, cách mặt nước 0,5 – 1 m hoặc có thể cho nước chảy tràn qua mặt ống đặt trên mương phân phối với độ cao như trên. Mục đích của quá trình làm thoáng đơn giản là chỉ cung cấp oxy cho nước, các quá trình oxy hóa sắt (II) và thủy phân sắt (III) xảy ra trực tiếp trong lớp vật liệu lọc của bể lọc nhanh. Khi đó trên bề mặt các hạt vật liệu lọc tạo thành một lớp màng có cấu tạo từ sắt (II) và sắt (III). Khi lớp màng hình thành có tác dụng xúc tác làm lắng tốc độ oxy hóa sắt (II) và thủy phân sắt (III), vì lớp màng này sẽ hấp thụ Fe2+, O2, CO2 lên bề mặt làm tăng nồng độ của các chất tham gia phản ứng các hợp chất tạo thành. Sau phản ứng làm cho bề dày của màng này ngày càng tăng và có cơ cấu bền vững không bị phá vỡ ngay cả khi chịu lực tác động của dồng nước khi rửa lọc. 2.5.2.4 Khử sắt bằng dây chuyền công nghệ có bể lọc áp lực với sơ đồ lọc 1 đợt và sơ đồ lọc 2 đợt (Hình 6: Sơ đồ công nghệ khử sắt bằng bể lọc áp lực 1 đợt) Sơ đồ dây chuyền công nghệ trên thường dùng cho trạm xử lý với công suất nhỏ, nước nguồn có hàm lượng sắt nhỏ ( Fe2+ < 3 mg/l) và CO2 nhỏ. Để đưa không khí vào nước có thể dùng ezector thu khí. Khi công suất của trạm xử lý Q > 500 m3/ngày có thể dùng máy nén khí thay cho ezector thu khí. Ezector thu khí (hoặc máy nén khí) và bầu trộn khí có chứa chức năng thay thế công trình làm thoáng bằng dàn mưa. (Hình 7: Sơ đồ công nghệ khử sắt bằng bể lọc áp lực 2 đợt) Sơ đồ này dùng khi hàm lượng sắt trong nước nhỏ hơn 5 mg/l. Dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm chứa sắt bằng bể lọc áp lực ít được áp dụng rỗng rãi ở Việt Nam nhưng nó có ưu điểm là gọn nhẹ, chiếm ít diện tích xây dựng và nước sau khi lọc có thể đưa trực tiếp tới nơi tiêu dùng không cần trạm bơm đợt 2. Dây chuyền này rất phù hợp với những trạm có công suất nhỏ. 2.5.2.5 Sơ đồ khử sắt bằng lọc 2 đợt với bể lọc chậm Những trạm xử lý có công suất nhỏ thỏa mãn điều kiện áp dụng phương pháp làm thoáng cũng có thể dùng dây chuyền công nghệ này. (Hình 8: Sơ đồ công nghệ khử sắt bằng lọc sơ bộ và lọc chậm) Trong sơ đồ này, bể lọc sơ bộ đóng vai trò xúc tác, nó có khả năng giữ lại (50 – 70%) lượng cặn sắt, còn bể lọc chậm đóng vai trò làm trong triệt để. Bể lọc sơ bộ có thể dùng vật liệu lọc là cát. Dây chuyền này rất tích hợp cho xử lý nước ngầm công suất nhỏ cho từng gia đình vì kích thước gọn nhẹ. 2.6 Công nghệ khử sắt bằng hóa chất Trên thực tế, khi sắt tồn tại dưới dạng các hợp chất không tan, dùng biện pháp khử sắt bằng làm thoáng không mang lại hiệu quả, thì mới dùng tới biện pháp khử sắt bằng hóa chất Các biện pháp khử sắt dùng hóa chất có thể áp dụng là: Khử sắt bằng vôi Có thể áp dụng để khử sắt cả cho nước mặt và nước ngầm. Tuy nhiên vì thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp, nên người ta chỉ áp dụng khử sắt bằng vôi kết hợp với quá trình ổn định nước hay làm mềm nước. Liều lượng vôi cần thiết tính toán theo công thức: CaO = 0,8*CO2 + 1,8*Fe (mg/l) Trong CO2: hàm lượng CO2 tự do trong nước nguồn (mg/l) Fe : tổng lượng sắt có trong nước (mg/l) Khử sắt bằng Clo Clo là 1 chất oxy hóa mạnh nó có khả năng khử sắt ngay cả khi sắt nằm dưới dạng hợp chất hữu cơ và khi pH của nước thấp ( pH ≥ 5). Để oxi hóa 1 mgFe2+ cần 0,64 mgCl2. Đồng thời khi cho Clo vào nước, ngoài sắt nó còn khử được các hợp chất hữu cơ. Liều lượng Clo bổ sung để khử hữu cơ tính theo công thức sau: Cl bổ sung = 0,5*[O2] (mg/l) Trong đó: [O2]: độ oxi hóa bằng kali permanganat của muối tinh chuyển ra oxy. Khử sắt bằng Kali permanganat (KMnO4) Khử sắt dùng KMnO4 diễn ra rất nhanh vì cặn mangan oxit vừa được tạo thành lại là nhân tố xúc tác quá trình khử sắt. Để thử hết 1mg Fe2+ cần 0,564 mgKMnO4 Tuy nhiên trên thực tế, phương pháp khử sắt dùng hóa chất thường kết hợp với làm thoáng. MANGAN 2.7 Trạng thái tồn tại của mangan trong nước tự nhiên Mangan là nguyên tố thường có trong đất. Ta có thể gặp nhiều muối khoáng là các ôxit hay cacbonat. Trong nước thiên nhiên, mangan có dưới dạng ion hòa tan Mn2+ và MnOH+. Nó có thể tạo thành hợp chất với bicacbonat, sunphat và silicat. Mangan có trong nước thiên bằng cách kết hợp với sắt và amoni. Nhưng cũng có trường hợp chỉ có riêng mangan. Trong nước ngầm, mangan thường tồn tại ở dạng Mn2+ hòa tan hoặc có thể ở dạng keo không tan. Khi Mn(II) hòa tan bị oxi hóa sẽ chuyển dần thành mangan (III) và mangan (IV) ở dạng hydroxit kết tủa. Quá trình ôxy hóa diễn ra như sau: 2Mn(HCO3)2 + O2 + 6H2O → 2Mn(OH)4 + 4H+ + 4HCO3- Như vậy quá trình khử mangan phụ thuộc vào pH của nước, pH càng cao tức là nồng độ ion H+ càng thấp, tốc độ ôxy hóa và thủy phân mangan càng lớn và quá trình ôxy hóa mangan sẽ đạt hiệu quả cao nhất ở một giá trị pH nào đó. Xét phương trình biểu diễn thế ôxy hóa khử mangan sau: EMn4+/Mn2+ = 1,23 - 0,12*pH - 0,03*lgaMn2+ Trong đó: aMn2+: hoạt độ của ion Mn2+ trong nước aMn2+ = fMn2+.CMn2+ fMn2+: hệ số hoạt độ CMn2+: nồng độ ion Mn2+ trong nước Trong môi trường nước, hệ số hoạt độ fMn2+ thường có giá trị là 0,6. Nếu muốn giảm hàm lượng mangan xuống còn 0,2 mg/l theo tiêu chuẩn vệ sinh ta có: aMn2+= 0,6 * 0,2 mg/l Thế ôxy hóa khử cần thiết sẽ là: EMn4+/Mn2+ = 1,23 - 0,12pH - 0,03lg2,2.10-6 = 1,29 - 0,12pH (1) Trong thực tế, sau làm thoáng quá trình ôxy hóa xảy ra ngay với các chất dễ bị ôxy hóa, do vậy đến mangan, thế oxy hóa khử của nước thường chỉ còn lại khoảng 0,2 V. Thay vào phương trình (1) ta thấy rằng, để đưa hàm lượng mangan xuống đến 0,2 mg/l, pH của nước phải có giá trị xấp xỉ bằng 9. Tương tự với sắt, qui trình xử lý mangan cơ bản cũng bao gồm các khâu làm thoáng, lắng và lọc. Trong quá trình lọc, lớp vật liệu lọc được phủ dần một lớp mangan đioxit Mn(OH)4 tích điện âm, lớp Mn(OH)4 có tác dụng làm chất xúc tác hấp thụ các ion Mn2+ và ôxy hóa Mn2+ theo phản ứng sau: Mn(OH)4 + Mn(OH)2 → Mn(OH)3 4Mn(OH)3 + O2 + 2H2O → 4Mn(OH)4 Lớp phủ Mn(OH)4 mới tạo thành lại tham gia vào phản ứng mới và cứ như vậy tạo ra một chu trình phản ứng liên tục. Như vậy, hiệu quả khử mangan do chính bản thân quá trình khử tạo ra trên bề mặt vật liệu lọc. Biểu đồ hình trên cho thấy vai trò quan trọng của lớp xúc tác đến hiệu quả khử mangan bằng ôxy. Khi chưa có lớp xúc tác, hiệu quả khử chỉ đạt được với pH lớn hơn 9, nếu có xúc tác phản ứng có hiệu quả ngay từ pH=8,2. Trong thực tế để sớm đưa vào bể lọc vào chế độ hoạt động ổn định, cần pha thêm vào nước dung dịch KMnO4 với liều lượng 1 – 3 mg/l trong vài ngày đầu, hoặc nâng pH của nước lên trên 9. 2.8 Các phương pháp khử mangan Cũng như khử sắt, khử mangan có thể dùng phương pháp ôxy hóa và phương pháp hóa học, phương pháp vi sinh. 2.8.1 Phương pháp ôxy hóa Mangan Mn2+ có thế oxy hóa rất chậm bằng ôxy. Mangan có quan hệ: Với Ôxy hóa bằng ôxy chỉ đạt được tốc độ thích hợp với pH lớn hơn 9,5 (Hình 10: Loại bỏ Mn2+ bằng oxy hóa (theo Morgan trục hoành thời gian phút) Ôxy hóa Mn2+ bằng ôxy phụ thuộc vào nhiệt độ: nó nhanh gấp 5 lần khi ta chuyển từ 11oC đến 22oC, nhưng ở độ pH thông thường, thời gian tiếp xúc rất khó thích hợp và khai thác công nghiệp. Sự có mặt của đioxít mangan là chất "xúc tác" phản ứng. Chính điều đó được thấy trong một số quá trình sau một thời gian hoạt động với các chất ôxy hóa khác có thể bị mangan hóa cát lọc. Thực tế, sẽ có sự hấp phụ Mn2+ trên MnO2 và ôxy hóa chậm Mn2+ thành MnO2 xảy ra theo phản ứng: nhanh Mn2+ + MnO2 → MnO2.Mn2+ chậm MnO2.Mn2+ + O2 → 2MnO2 Cát chứa mangan, nghĩa là nó được bọc MnO2, có thể sử dụng phản ứng này, nhưng việc mangan hóa rất khó kiểm tra. Người ta đã khẳng định trong một số trường hợp không có khả năng thu được ngay cả sử dụng permanganat kali. Người ta cũng thấy đôi khi một sự bão hòa MnO2 nào đó cũng dùng như là một " chất xúc tác". Nó có thể tạo thành sesqui-ôxít: Mn2+ + Mn2+ + H2O → Mn2O3 + 2H+ (1) Người ta có thể tái sinh vật liệu lọc do tác dụng của permanganat 3Mn2O3 + 2MnO4- + H2O → 8MnO2 + 2(OH)- (2) Tổng hợp cả 2 phản ứng (1) và (2): 3Mn2+ + 2MnO4- + 2H2O → 5MnO2 + 4H+ (3) Cặn MnO2 dùng làm "chất phản ứng", nhưng cần phải sử dụng một lượng chất ôxy hóa như đối với phản ứng (3). Trong thực tế, thay cho việc mangan hóa cát, người ta dùng vật liệu lọc gồm phần lớn là MnO2 trộn với một tỉ lệ lớn ít hay nhiều với cát, nó có thể được tái sinh trong khoảng thời gian điều đặn. Quy trình công nghệ cơ bản cũng giống như khử sắt bao gồm giàn mưa, lắng tiếp xúc và lọc. Riêng phần bể lọc, do phản ứng ôxy hóa mangan diễn ra chậm nên cát lọc phải có bề dầy 1,2 – 1,5 m. Qui trình rửa lọc phải lựa chọn trên cơ sở thực nghiệm chính xác, nhằm mục đích giữ lại một lớp màng Mn(OH)4 bao quanh hạt cát lọc làm màng xúc tác có chu kì tiếp theo. Nếu rửa sạch hạt cát lọc thì vào chu kì sau lại cần có thời gian để tạo ra lớp màng xúc tác mới (thường 5 – 10 ngày). Để đạt hiệu quả cao, vật liệu lọc nên dùng cát đen (đã được phủ một lớp đioxít mangan). Trong trường hợp nước có chứa cả sắt và mangan, cần tiến hành thí nghiệm để xác định qui trình xử lý kết hợp. Giàn làm thoáng cần phải đảm bảo đủ lượng ôxy hòa tan cho cả quá trình ôxy hóa sắt và mangan. Do sắt bị ôxy hóa trước nên quá trình ôxy hóa mangan sẽ xảy ra ở các lớp cát lọc nằm bên dưới. Tùy theo tính chất nguồn nước và các điều kiện kinh tế kỹ thuật cho phép, quy trình kết hợp có thể là: Xử lý có xúc tác: Bao gồm làm thoáng, lắng tiếp xúc, bể lọc một hoặc hai lớp. Cơ sở lựa chọn dựa trên điều kiện: nếu sau khi ôxy hóa sắt hết, độ pH của nước còn giữ lại được cao hơn 8 thì quá trình ôxy hóa mangan sẽ diễn ra thuận lợi. Bể lọc cần có lớp cát dầy không nhỏ hơn 1,5m. Trong trường hợp này dùng bể lọc hai lớp(than antraxit và cát) đạt hiệu quả cao hơn. Ưu điểm của quy trình là chỉ có một cấp bể lọc, cặn Mn(OH)4 được tạo ra trước sẽ là nhân tố xúc tác cho sự ôxy hóa mangan. Tuy nhiên quy trình rửa lọc sẽ rất phức tạp vì nếu rửa sạch cặn sắt nằm ở lớp vật liệu lọc bên trên ( cần cường độ rửa lớn) thì khó giữ lại được lớp màng xúc tác Mn(OH)4 ở lớp cát bên dưới. Xử lý không xúc tác: Khi hàm lượng sắt và mangan trong nước đều lớn hoặc không thỏa mãn các yêu cầu của hệ bậc một thì chọn quy trình xử lý bậc hai. Quá trình khử sắt sẽ hoàn thành ở bậc một gồm các khâu làm thoáng, lắng, lọc. Sau đó xử lý nâng pH của nước lên trên 8. Nếu lượng ôxy hòa tan còn lại không đủ để ôxy hóa mangan tiến hành làm thoáng lại và lọc nước qua bể lọc thứ hai để xử lý mangan. Quy trình này tuy tốn kém hơn về xây dựng nhưng chất lượng và hiệu quả xử lý ổn định. Các bể lọc có chứa chức năng khác nhau rõ ràng, nên vận hành rửa lọc đơn giản hơn. 2.8.2 Phương pháp hóa học 2.8.2.1 Ôxy hóa bằng điôxit Clo Phản ứng như sau: Mn2+ + 2ClO2 + 2H2O → MnO2 + 2O2 + 2Cl- + 4H+ Cần có 2,5g ClO2 để ôxy hóa 1g Mn2+. Ôxy hóa bằng điôxit clo ít được dùng vì quá trình xảy ra chậm và để có tốc độ chấp nhận được cần phải vượt qua một tỉ trọng lớn, do kể đến các chất hữu cơ có trong nước tiêu thụ một phần điôxít Clo đưa tới bằng cách khử ClO2 thành ion Clorit ClO2- không mong muốn trong nước xử lý. 2.8.2.2 Ôxy hóa bằng permanganat kali Có hiện tượng ôxy hóa giữa mangan hóa trị II và permanganat 3Mn2+ + 2MnO4- + 2H2O → 5MnO2 + 4H+ Tỉ lệ lý thuyết là 1,9g KMnO4 cho 1g Mn2+, nhưng trong thực tế nó thay đổi theo pH và thành phần của nước. Thực tế, một phần permanganat tham gia vào phản ứng ôxy hóa một vài chất hữu cơ làm giảm sự có mặt trong nước. Ngoài ra, nhất thiết phải kiểm tra liều lượng đưa vào, vì sự dư thừa KMnO4 làm cho nước có màu hồng, chuyển thành màu vàng trong mạng đường ống phân phối. Nếu mangan không ở dạng hợp chất, độ pH tối ưu khoảng từ 7,2 đến 7,3 trong thời gian tiếp xúc là 5 phút. Khi mangan là hợp chất với các chất hữu cơ thời gian phản ứng có thể là 20 phút. Cũng có thể điều chỉnh pH cao hơn 8,5 để tăng tốc độ phản ứng. Đối với nước ngọt bề mặt có màu, chứa một lượng lớn chất hữu cơ và cần phải làm trong toàn phần bằng đông tụ – kết bông kết hợp với lắng. 2.8.2.3 Ôxy hóa bằng ôzôn Ôxy hóa ion mangan II, Mn2+ bằng ôzôn xảy ra rất nhanh. Phản ứng như sau: Mn2+ + O3 + H2O → MnO2 + O2 + 2H+ Để ôxy hóa 1g Mn2+ phải có 0,9g ôzôn. Liều lượng ôzôn đưa vào chỉ để ôxy hóa Mn2+ thành MnO2 (nếu dư thừa ôzôn, tạo ra ôxy hóa MnO2 thành MnO4, làm xuất hiện màu hồng trong nước đã xử lý). Khi mangan là hợp chất với chất hữu cơ và cần làm trong hoàn toàn do đông tụ và kết bông, lắng, ôzôn không được dùng như chất ôxy hóa trước để ôxy hóa mangan. Thực vậy, ôzôn chỉ ôxy hóa mangan (II), điều kéo theo sự tiêu thụ ôzôn quá mức, không kinh tế và làm ổn đinh chất keo, (do đó đông tụ và kết bông khó khăn). Duy nhất, ôzôn sử dụng thích hợp cho quá trình lắng (cũng như loại bỏ chất hữu cơ), nghĩa là với thời gian tiếp xúc và lưu lượng nhỏ. Trong trường hợp này, mangan được loại bằng hai cách: hoặc bằng cách dùng KMnO4 trước khi lắng, hoặc bằng ôzôn hóa nước đã lắng, MnO2 kết tủa bị giữ lại trên bề mặt bộ lọc. 2.9 Phương pháp sinh học 2.9.1 Nguyên tắc: Phần lớn các vi khuẩn trong môi trường ưu khí cho phép ôxy hóa sinh học mangan. Đối với một số vi khuẩn, ôxy hóa Mn2+ thực hiện gián tiếp: nó làm tăng độ pH, nghĩa là làm tăng trưởng các vi khuẩn. Sự tăng độ pH ở vùng gần vi khuẩn cho phép ôxy hóa bằng ôxy ở tốc độ đáng kể. Đối với các vi khuẩn khác, có thể gây ra do tác dụng của enzym nội bào. Cuối cùng mangan hòa tan bắt đầu hấp phụ trên mặt tế bào, nó tiếp tục ôxy hóa bằng phương pháp enzym. Mangan tập trung quanh vỏ tế bào. Các vi khuẩn này đòi hỏi môi trường có độ EH lớn hơn 400mV để sinh trưởng. Mặc khác, khi thế năng giảm mạnh, một số loại vi khuẩn có khả năng hòa tan (chuyển MnO2 → Mn2+) mangan đã tích tụ lại. Ngoài ra, người ta thấy rằng sự có mặt các chất hữu cơ làm dễ dàng cho việc chuyển hóa một số loại vi khuẩn. 2.9.2 Ưu điểm loại bỏ mangan bằng sinh học Chất phản ứng: khi làm việc bình thường, chất phản ứng chỉ là không khí làm thoáng. Tuy vậy, có thể dùng một chất ôxy hóa (nói chung là permanganat kali) trong thời gian khởi động. Làm thoáng: thời gian tiếp xúc ngắn đối với phần lớn các loại nước. Đó là thời gian cần thiết để nâng ôxy hóa khử. Sục khí có thể thực hiện theo hàng (dưới áp suất) hay theo tầng (bằng trọng lực). Tốc độ lọc: độ rắn của các cục vón sinh học, như trong trường hợp khử sắt sinh học, cho phép chấp nhận một tốc độ lọc cao, trong một số trường hợp có thể đạt tới 30 – 40 m/h trên vật liệu lọc có kích thước lớn hơn như trong trường hợp khử mangan bằng hóa lý. Rửa: có thể thực hiện bằng nước thô (hay nước đã xử lý khử trùng). Bùn: rất dễ khử nước. 2.10 Dây chuyền công nghệ khử mangan Phải khử mangan (Mn) nước cấp cho nhu cầu sinh hoạt và ăn uống khi hàm lượng mangan trong nước nguồn lớn hơn 0,2 mg/l. Khử Mn trong nước mặt và nước ngầm được tiến hành đồng thời với quá trình làm trong và khử màu. Khử Mn trong nước ngầm: Trường hợp nguồn nước chứa cả Mn và Fe, thì phải so sánh hiệu quả kinh tế giữa phương án khử Fe và Mn đồng thời với phương án khử Fe xong mới khử Mn. Nếu việc khử Fe bắt buộc phải dùng hóa chất (sắt nằm ở dạng keo hoặc có hàm lượng lớn) thì việc khử Fe và Mn sẽ tiến hành đồng thời. Nhưng phải chú ý: Quá trình ôxy hóa Mn(II) thành Mn(III) và Mn(IV) bằng ôxy của không khí hòa tan trong nước xảy ra rất chậm. Khi pH8, quá trình ôxy hóa Mn(II) thành Mn(IV) bằng ôxy không khí xảy ra rất nhanh. Dây chuyền khử Mn là dùng phối hợp giữa bể lọc cùng các biện pháp dùng hóa chất để ôxy hóa Mn. Có thể dùng một trong các biện pháp sau để khử Mn: Làm thoáng rồi lọc qua Piroluzit, cát đen Dây chuyền này chỉ thực hiện khi pH của nước sau quá trình làm thoáng đạt được giá trị pH≥8,5. Khi pH<7, mặc dù có chất xúc tác, quá trình ôxy hóa Mn(II) bằng ôxy không khí cũng không xảy ra. Trong trường hợp này phải kiềm hóa để nâng pH của nước. Lọc nước bằng cát thạch anh sau khi đã dùng hóa chất như Clo, Clođioxít, Ôzôn hoặc KMnO4 để oxy hóa Mn Thời gian để chuyển hóa Mn(II) thành Mn(III) và Mn(IV) khi dùng Clođioxit và ozone tại pH = 6,5 – 7 là 10 – 15 phút. Khi dùng Clo tại pH = 6,5 – 7 cần 60 – 90 phút. Dùng vôi, xút hoặc sôđa, kết hợp dùng phèn rồi lắng lọc Dùng cho nguồn nước có yêu cầu làm mềm bằng vôi hoặc sôđa khi kết hợp với cả quá trình khử sắt đồng thời. Bản chất hiện tượng khi nâng pH lên 9 – 9,5 quá trình ôxy hóa Mn(II) bằng ôxy không khí diễn ra rất nhanh chóng và trong nước tạo ra bông cặn Mn(OH)3 và Mn(OH)4, nó lại đóng ai trò xúc tác trong quá trình ôxy hóa Mn(II). Lọc qua bể cationit Bản chất của phương pháp này là quá trình hấp phụ, trao đổi, tự xúc tác của ion Mn2+ xảy ra trên bề mặt lớp vật liệu lọc có phủ màng hấp phụ – tự xúc tác mangan điôxít hydrat MnOx.yH2O. Loại vật liệu lọc này có thể điều chế nhân tạo hoặc tự nhiên trong bể lọc. Quá trình khử Mn theo phương pháp này phải tách khỏi quá trình khử Fe bằng bể lọc hai lớp hoặc hai đợt là tùy thuộc vào tổng lượng Fe và Mn của nước ngầm tính theo công thức 5Mn2+ + 2Fe2+ £ 5mg/l và công suất Q < 100 m3/h. Trong trường hợp Fe tồn tại ở dạng keo và có hàm lượng lớn, có thể tách quá trình khử Fe tại bể lắng và bể lọc chỉ làm nhiệm vụ khử Mn và một phần nhỏ Fe còn lại sau bể lắng. Khử Mn bằng phương pháp này có thể áp dụng đối với cả nguồn nước có 6,5 < pH < 7,5. Nước ở trạng thái cân bằng CaCO3. Chu kỳ lọc của bể lọc mangan nên lấy trong khoảng (3 ngày <t < 14 ngày). Liều lượng hóa chất để khử Mn như sau: Liều lượng Clo, rn tính bằng mg/l Khi trong nước không có NH4+ rn=1,3*[Mn2+] Khi trong nước có NH4+ rn= 1,3*[Mn2+] + (5÷10)*[NH4+] Liều lượng Clođioxít (mg/l) rc=1,35*[Mn2+] Liều lượng ôzôn (mg/l) ro= 1,45*[Mn2+] Liều lượng KMnO4 (mg/l) rk=2,06*[Mn2+] Liều lượng vôi hoặc xút, hoặc sôđa đưa vào nước: đủ để nồng độ pH của nước nguồn lên trị số 9 – 9,5. Khi khử Mn dùng Clo mà độ pH của nước ngầm £ 7 thì bể lắng phải có thời gian lưu nước không ít hơn 60 phút. Khi khử Mn bằng KMnO4 thì dùng dung dịch KMnO4 pha ở nồng độ 3%. Việc hòa trộn và bảo quản dung dịch bằng các thùng thép không rỉ, hoặc nhựa. Khuấy trộn dung dịch bằng khí nén hoặc bằng thiết bị cơ khí. Hòa tan KMnO4 bằng nước nồng ở nhiệt độ 50 – 60oC. Thời gian khuấy là 2 – 3 giờ. Lưu lượng KMnO4 tính theo công thức: Trong đó: q: lưu lượng dung dịch KMnO4 (l/s) Q: lưu lượng trạm xử lý (m3/h) D: liều lượng KMnO4 (g/m3) C: nồng độ dung dịch KMnO4 (g/l) Điểm đưa dung dịch KMnO4 vào nước phải đảm bảo sao cho quá trình chuyển hóa màu hồng sang màu vàng gạch đạt kết thúc ở bể lắng hay bể lắng trong. Nếu không có bể lắng thì quá trình đó phải kết thúc trước khi dẫn nước vào bể lọc. Trong trường hợp dùng phèn thì đưa dung dịch KMnO4 vào trước khi đưa phèn vào nước. Chương 3 Quá trình lọc 3.1 Quá trình lọc 3.2 Phân loại các bể lọc 3.3 Qui trình của quá trình lọc nước qua lớp vật liệu lọc giữ cặn trong các lỗ rỗng 3.4 Quá trính lọc sắt và mangan 3.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng vận hành thiết bị lọc 3.5.1 Các thông số vật lý 3.5.2 Các thông số hóa học Chương 3 Quá trình lọc 3.1 Quá trình lọc Lọc là một quá trình tách chất rắn ra khỏi nước khi hỗn hợp nước và cặn lơ lửng chảy qua lớp vật liệu lọc rỗng (có lỗ hổng) ở đó chất rắn được giữ lại và nước chảy qua. Sự giữ lại có thể do 2 cơ chế sau: Kích thước hạt rắn (cặn) lớn hơn kích thước khe rỗng. Chất lơ lửng tiếp xúc và dính lên bề mặt vật liệu lọc do lực hấp dẫn. Trong khi sắt và mangan ngoài cơ chế giữ cặn lơ lửng, lọc còn tham gia quá trình oxy hóa sắt và mangan trên bề mặt hạt vật liệu lọc. Tốc độ lọc tuân theo định luật Darcy: Trong đó: k: độ thấp của lớp vật liệu lọc rP: tổn thất áp lực qua lớp vật liệu lọc rH: chiều dày lớp vật liệu lọc h: độ nhớt động học của nước Từ định luật cho thấy, tổn thất áp lực qua lớp vật liệu lọc ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ lọc. Vì vậy, ngoài chất lượng nước, tổn thất áp lực là một thông số quan trọng quyết định chế độ vận hành và hiệu quả quá trình lọc. 3.2 Phân loại các bể lọc Dựa vào tốc độ lọc, cách vận hành có các dạng bể lọc: Lọc theo trọng lực: lọc nhanh, chậm, lọc tốc độ cao Lọc nhanh: (Rapic sand Filter). Lọc chậm: (Slow sand Filter) Lọc tốc độ cao (High Rate Filter): 2 lớp vật liệu lọc (Dual Media) Nhiều lớp vật liệu lọc (Multi Media) Lọc áp lực: 1 lớp. 2 lớp, nhiều lớp (cát + anthracite + granet). Diatomit (tảo cát). Lọc tiếp xúc: nước đi từ dưới lên. Lọc phá (ít sử dụng). Lọc chậm Màng lọc hình thành trên bề mặt vật liệu lọc. Màng lọc này có kích thước khe rỗng nhỏ, có thể giữ lại cặn có kích thước nhỏ, hạt keo và vi khuẩn. Đối với lọc chậm trong quá trình khử sắt, lớp màng trên mặt có nhiều vi khuẩn sắt Ferrobacteria, vi khuẩn có khả năng oxy hóa sắt (II) thành sắt (III). Bể lọc chậm không cần hóa chất keo tụ khi SS< 50 mg/l. Bể lọc chậm có nhiều ưu điểm hiệu quả xử lý cao (95 – 99% độ đục) có khả năng khử vi trùng gây bệnh, có thể không cần xử lý hóa chất keo tụ, quản lý vận hành đơn giản. Khuyết điểm lớn của bể lọc chậm là đòi hỏi diện tích lớn đưa đến kích thức xây dựng và vật liệu lọc lớn. Vì vậy, bể lọc chậm chỉ thích hợp cho nhà máy có công suất nhỏ, cấp nước cho thị trấn nhỏ. Bảng 1: tốc độ lọc chậm theo hàm lượng cặn lơ lửng SS < 25 mg/l v= 0,3 – 0,4 m/h SS > 25 mg/l v= 0,2 – 0,3 m/h Kết hợp xử lý sắt v= 0,5 m/h Một số thông số thiết kế có thể lấy bảng 2 Bảng 2: thông số thiết kế cho bể lọc chậm: Cát thạch anh d= 0,15 – 0,7 mm d hiệu quả= 0,2– 0,35 mm Chiều dày lớp nước Chiều cao dự phòng 0,8 – 1,8 m 0,2 – 0,5 m Chiều dày cát thạch anh 0,8 – 1mm Số bể lọc ≥2 Lớp sỏi đỡ Chiều dày= 0,4 – 0,55m d= 2 – 40 mm Lọc nhanh Chu kì làm việc của bể lọc nhanh 12 – 24 giờ ứng với vận tốc lọc 5,5 – 6 m/h. Bảng 3: Các thông số rửa bề mặt lọc Loại rửa bề mặt Cường độ rửa l/s.m2 Aùp lực (m) cột nước Vòi phun cố định 3 – 4 30 – 40 Thiết bị quay 0,5 – 0,75 40 – 50 Có 2 cách rửa ngược: rửa nước thuần túy và rửa kết hợp với khí: Cường độ rửa nước thuần túy lấy theo bảng 4 sau Bảng 4: Thông số rửa theo vật liệu lọc: Loại vật liệu lọc Độ nở tương đối của vật liệu lọc (%) Cường độ rửa l/s.m2 Thời gian rửa (phút) Bể lọc nhanh 1 lớp: dtd=0,7 – 0,8 mm dtd=0,8 – 1,0 mm dtd=1,0 – 1,2 mm 45 35 25 12-14 14-16 16-18 6-5 Bể lọc nhanh 2 lớp 50 13-15 7-6 Rửa nước kết hợp khí: thường lấy cường độ khí 15 – 20 l/s.m2 trong 1 – 2 phút. Sau đó rửa kết hợp nước và khí với cường độ khí 15 – 20 l/s.m2 và nước 2,5 – 3 l/s.m2 trong 4 – 5 phút. Ngưng thổi khí, tiếp tục rửa nước thuần túy với cường độ 5 – 8 l/s.m2. Cường độ nước và khí có thể lấy lớn hơn khi vật liệu lọc có cỡ hạt lớn. Thành phần chính của bể lọc bao gồm bể lọc cát, cát lọc, tầng sỏi đỡ, hệ thống thu nước, máng thu nước rửa, thiết bị điều khiển, thiết bị khuấy trộn (rửa) bề mặt lớp vật liệu lọc. Bể lọc làm bằng bêtông hay cốt thép (công suất nhỏ) thường có dạng vuông hay chữ nhật. Chiều dày cát lọc phụ thuộc vào điều kiện hạt. Có thể lấy chiều dày 0,5 – 0,75 m. Khi chọn đường kính tương đương Dtd= 0,4 – 0,6 mm, chiều dày 0,7 – 0,8 m ứng với Dtd= 0,7 – 0,8 mm và chiều dày 1,2 – 1,3 m với Dtd= 0,8 – 1,0 m. Tầng sỏi đỡ: chiều dày 150 – 450 mm, cát tác dụng ngăn cát lọc đi vào hệ thống thu nước thường đặt trên lớp vật liệu lọc, thu nước rửa ngược xả ra mương. Vị trí mương thu nước rửa đặt vị trí thích hợp bảo đảm cát không trôi ra ngoài và xả cặn. Trong quá trình rửa ngược thì không thể rửa sạch hết cặn mà có nơi người ta bố trí thêm hệ thống rửa bề mặt (lớp rửa vật liệu lọc ở lớp trên 150 – 250 mm). Bể lọc áp lực Nước qua lớp vật liệu lọc dưới áp lực của bơm. Bể làm bằng sắt thép chịu áp có đường kính nhỏ hơn 3 m. chiều dày lớp lọc, sàn thu nước tương tự bể lọc nhanh trọng lực. Vận tốc lọc 12 – 20 m/h. Tổn thất áp lực 2 – 20 m cột nước. Rửa ngược bằng khí và nước hoặc nước thuần túy như bể lọc nhanh. Lọc phá (lọc sơ bộ) Lọc phá ứng dụng khi hàm lượng SS = 50 – 250 mg/l. Trước khi vào bể lọc. Cấu tạo tương tự như bể lọc nhanh nhưng kích thước hạt lớn 1 – 2 mm, chiều dày lớp cát 0,6 – 0,7 m. v < 5 m/h khi SS < 100 mg/l v = 3 m/h khi SS = 100 – 200 mg/l v = 2,5 m/h khi SS = 200 – 250 mg/l Lọc hạt lớn Tương tự bể lọc nhanh nhưng kích thước hạt lớn hơn. Vì vậy dung tích chứa cặn lớn, có thể tăng cường vận tốc lọc lớn và khi đó lượng nước rửa lọc giảm đi. Tuy nhiên, hiệu quả khử cặn, đục thấp hơn so với bể lọc nhanh (50 – 70%). Thông số thiết kế bể lọc hạt lớn có thể lấy trong bảng 5 Bảng 5: Một vài thông số thiết kế cho bể lọc hạt lớn Vật liệu lọc Đường kính hạt (mm) Chiều cao lớp vật liệu (m) Vận tốc (m/s) Cường độ nước (l/s.m2) Nước khí Cát Cát 1 – 2 1,6 – 2,5 1,8 2 1,5 – 2 2,5 - 3 10 – 12 13 – 15 6 – 8 6 – 8 15 – 20 18 – 25 Lọc tiếp xúc Cấu tạo tương tự bể lọc nhanh nhưng hướng nước đi từ dưới lên. Tốc độ lọc có thể chọn v = 4 – 5 (m/h(. Đối với bể lọc tiếp xúc đòi hỏi thu nước trong đồng đều toàn bộ diện tích lọc vật liệu lọc, rửa lọc tương tự bể lọc nhanh. Lọc tốc độ cao Cấu tạo lọc tốc độ cao tương tự bể lọc nhanh. Chỉ khác lớp lọc, vật liệu lọc khác nhau. Việc lực chọn vật liệu lọc theo nguyên tắc từ trên xuống dưới đường kính giảm dần và tỉ trọng hạt tăng dần. (d1>d2>d3, r1<r2<r3). Vật liệu lọc thường được lựa chọn từ trên xuống như sau than anthracite, cát thạch anh, đá granet nghiền. Bảng 6: So sánh lọc chậm, lọc nhanh, lọc tốc độ cao Lọc chậm Lọc nhanh Tốc tốc độ cao Đặc tính Tốc đô lọc m/h Vật liệu lọc Phân bố vật liệu lọc Tổn thất áp lực (m) Đầu giai đoạn lọc Cuối giai đoạn lọc Lượng nước rửa lọc 0,1 – 0,3 Cát Không phân tầng 0,05 1,5 không 4,5 – 6 Cát Phân tầng: mịn - thô 0,3 2,5 – 2,7 2 – 4 % nước rửa lọc 6,5 – 17,5 Than anthracite + cát + granet Phân tầng: mịn – thô 0,3 2,5 – 2,7 6% nước rửa lọc Có 3 bể lọc tương ứng với kích thước hạt: Bể lọc có một lớp vật liệu lọc đồng nhất: kích thước hạt giống nhau trong toàn bộ chiều dày lớp vật liệu lọc. Bể lọc có lớp vật liệu lọc không đồng nhất: quá trình phân tầng xảy ra sau khi rửa ngược : mịn – thô. Bể lọc có hai hay nhiều lớp vật liệu lọc khác nhau: Về tỉ trọng: than < cát < granet. Về đường kính: than > cát > granet. Lọc nhiều lớp, có nhiều ưu điểm so với bể lọc nhanh. Tốc độ lọc có thể lên đến 10 – 15 m/h. Do độ phân bố nhỏ dần theo hướng từ trên xuống (hướng dòng chảy). Vì vậy khả năng giữ cặn lớn, tận dụng hiệu quả chiều cao lớp lọc, đồng thời kéo dài chu kì lọc. Bể lọc Diatomite (DE) hay Precoat filter Bể lọc đất Diatomacecus (DE) hay bể lọc Diatomite thuộc nhóm các bể lọc được gọi chung là bể lọc tiền phủ lớp (Precoat filtration). Vì DE là vật liệu lọc được sử dụng rỗng rãi nhất trong bể lọc tiền phủ. Bởi vậy thuật ngữ Diamite thường được dùng để gọi cho các loại bể lọc thuộc dạng này. Các loại vật liệu khác nhau cũng được sử dụng trong các bể lọc dạng này là silicate, cacbon, perlite, alumium. Nhưng không một vật liệu nào trong chúng được sử dụng dưới qui mô lớn. Các bể lọc Diatomite được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến thực phẩm, nước giải khát và đặc biệt nhiều nhất trong lĩnh vực xử lý nước hồ bơi. Chúng tỏ ra có hiệu quả trong việc loại bỏ cặn trong chất lỏng, các loại cặn như tảo, coliform, sét lơ lửng. Bể lọc Diatomite cũng được sử dụng trong việc loại bỏ sắt và mangan trong nước ngầm. Sự loại bỏ cặn trong bể Diatomite khác với sự loại bỏ cặn trong các bể lọc dạng khác nhau ở chỗ nó chỉ chủ yếu xảy ra trên bề mặt của vật liệu lọc. Sau khi đã hình thành các bánh lọc ở chỗ nó chỉ chủ yếu xảy ra trên bề mặt của vật liệu lọc (filter cake). Sự lọc thuần túy đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của các bể lọc tiền lớp phủ. Bể lọc DE thường hoạt động qua 3 giai đoạn: tạo lớp phủ, lọc, rửa ngược. Trong giai đoạn tạo lớp phủ người ta cung cấp 1 loại vật liệu lọc để tạo 1 lớp vữa áo trên bề mặt 1 vách ngăn xốp (có dạng hình trụ hay hình phẳng). Chính lớp vữa này có khả năng giữ cặn trong quá trình lọc. Sau đó theo cơ chế lọc thuần túy. Sau một thời gian lọc, khi tổn thất áp lực tăng lên một giai đoạn nhất định hay chất lượng nước ra xấu hơn mức cho phép bể lọc được tiến hành rửa ngược. Sau đó quá trình lọc mới bắt đầu bằng quá trình tạo lớp phủ. Chu kì lọc thường từ 24 – 120 giờ. Thời gian rửa ngược khoảng 30 phút. Bể lọc Diatomite không thích hợp trong xử lý nước qui mô lớn, chất lượng nước thay đổi nhiều. Vì vậy các bể lọc dạng này chủ yếu được sử dụng nhiều trong xử lý nước nhỏ như gia đình, quân đội, bể bơi, các trạm cấp nước cho một phân xưởng sản xuất. 3.3 Quy trình của quá trình lọc nước qua lớp vật liệu lọc giữ cặn trong các lỗ rỗng. Khi lọc nước qua lớp vật liệu lọc, cặn bẩn bị lớp vật liệu lọc giữ lại còn nước được làm trong, cặn tích lũy dần trong các lỗ rỗng làm tăng tổn thất thủy lực của lớp lọc. Lọc trong nước là quá trình làm việc cơ bản của bể lọc, còn tăng tổn thất áp lực của lớp vật liệu lọc là quá trình đi kèm với quá trình lọc. Sự tách cặn bẩn ra khỏi nước và dính kết chúng lên bề mặt của lớp lọc xảy ra do tác dụng của lực dính kết. Cặn bẩn lắng đọng trong lớp vật liệu lọc có cấu trúc không bền vững, dưới tác dụng của lực thủy động khi nước chuyển động qua lỗ rỗng của lớp vật liệu, cấu trúc của cặn bị phá vỡ và một phần cặn đã được dính kết vào bề mặt hạt lớp lọc bị tách ra theo nước xuống các lớp ở phía dưới, ở đấy do lực dính kết lớn hơn lực thủy động những cặn bẩn này lại được dính kết vào bề mặt của hạt mới. Hiệu quả lọc nước ở mỗi lớp lọc nguyên tố là kết quả của hai quá trình ngược nhau: quá trình cặn bẩn tách ra khỏi nước và gắn lên bề mặt của hạt dưới tác dụng của lực dính kết và quá trình tách cát hạt cặn bẩn đã bám lên bề mặt của hạt để chuyển chúng ngược lại vào nước dưới tác dụng của lực thủy động. Quá trình lọc nước ở mỗi lớp lọc nguyên tố xảy ra cho đến khi mà cường độ dính kết các hạt bẩn vào bề mặt hạt cát còn lớn hơn cường độ tách chúng. Do quá trình tích lũy ngày càng nhiều cặn bẩn trong các lỗ rỗng của cát lọc, cường độ tách cặn do lực thủy động gây ra ngày càng tăng. Hiện tượng dính kết và tách cặn quyết định sự tiến triển của quá trình lọc nước, theo chiều dày lớp vật liệu lọc và theo thời gian lọc. Hình 11: Diễn biến của quá trình theo chiều dày lớp vật liệu lọc Trên (hình 11) giới thiệu sự tiến triển của quá trình lọc nước. Trên biểu đồ vẽ các đường cong thay đổi nồng độ cặn trong nước theo chiều dày của lớp vật liệu lọc. Mỗi đường cong ứng với một thời điểm nhất định của quá trình lọc t1 < t2 < t3 < t4. Đường cong (1) đặc trưng cho thời kỳ đầu của quá trình ngay sau khi một lượng nước lọc đầu tiên đi qua bể lọc. Tại thời điểm t1 số lượng cặn tích lũy trong lớp vật liệu lọc bé đến mức hiện tượng tách cặn không có ảnh hưởng đến sự tiến triển của quá trình, nên đường cong (1) chỉ rõ sự thay đổi nồng độ cặn trong nước theo chiều dày của lớp vật liệu lọc dưới tác dụng của lực dính kết. Ở đầu quá trình lọc, nước được lọc trong sau khi qua lớp vật liệu có chiều dày xo (hình 11 ). Trong các lớp còn lại có chiều dày L - xo nồng độ cặn trong nước thay đổi không đáng kể hoặc không thay đổi. Điều đó chứng tỏ trong nước còn một lượng cặn nhỏ có đặc tính lý hóa hoàn toàn khác, không có khà năng dính kết lên bề mặt hạt của lớp vật liệu lọc. Độ trong của nước sau bể lọc hoàn toàn phụ thuộc vào hàm lượng cặn có tính chất như vậy. Thời gian lọc tăng lên, số lượng cặn tích lũy trong lớp vật liệu lọc tăng lên, số lượng cặn đã bám vào bề mặt các hạt cát lọc bị dòng nước đẩy xuống lớp dưới cũng ngày càng tăng và vai trò của lớp vật liệu nằm gần sát bề mặt trong quá trình lọc nước giảm dần (đường cong (2), (3), (4)- hình 11). Sau một thời gian làm việc các lớp này bị bão hòa bởi cặn bẩn bám vào và chúng mất hoàn toàn khả năng lọc nước. Chiều dày của lớp vật liệu tại thời điểm t4 nằm trong tình trạng bão hòa là đoạn x trên đường cong (4). Theo thời gian vai trò của lớp lọc nằm phía trên giảm dần, còn vai trò của các lớp nằm phía dưới thì tăng dần và chiều dày của lớp lọc cần thiết xt để lọc trong nước cũng tăng dần lên. Cuối cùng đến một thời điểm khi mà toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu lọc có trong bể lọc không đủ để lọc nước đến độ trong đã quy định, nồng độ cặn trong nước bắt đầu tăng lên rất nhanh ( đường cong (4) trên hình 11) Thời gian làm việc mà lớp vật liệu lọc có chiều dày L đảm bảo lọc nước đến độ trong qui định gọi là thời gian bảo vệ của lớp vật liệu lọc. Chừng nào bể lọc làm việc chưa hết thời gian bảo vệ thì nước lọc còn đảm bảo chất lượng. Sau thời gian bảo vệ, chất lượng nước xấu đi rõ ràng. Đối với thời gian làm việc của bể, kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, các chỉ tiêu kinh tế của bể lọc phụ thuộc vào các thông số công nghệ và cấu tạo của nó: Qua thực tế người ta còn thấy rằng: Chọn vật liệu lọc có kích thước nhỏ hay lớn không ảnh hưởng đến giá thành xây dựng bể. Tăng chiều cao lớp nước bảo vệ trên vật liệu lọc hay tăng giảm chiều dày của lớp vật liệu lọc, giá thành xây dựng cũng ít thay đổi. Nếu giảm vận tốc lọc sẽ ảnh hưởng nhiều tới giá thành xây dựng. Để có thể sử dụng vận tốc lọc lớn, người ta phải chọn vật liệu lọc có kích thước lớn, tức bể lọc có chiều dày lớp vật liệu lớn, như vậy chiều sâu nhập vào của tạp chất vào lớp vật liệu lọc cũng lớn hơn. Khi vận tốc tăng có nghĩa là tăng vận tốc cọ sát giữa các hạt lơ lửng trong nước với bề mặt vật liệu lọc nên trở lực cũng tăng lên, nhưng yếu điểm là tăng khả năng thấm sâu của hạt xuống mao quản vật liệu lọc. Tuy nhiên, chất lượng nước lọc theo thời gian vẫn có thể không đảm bảo, do đó thời gian làm việc của bể lọc phải đảm bảo đạt các yêu cầu sau: chất lượng nước lọc đảm bảo yêu cầu và thời gian trong đó tổn thất áp lực nhỏ hơn giá trị tối đa cho phép. Vậy thời gian làm việc tối ưu của bể lọc cũng phụ thuộc vào tính chất lý hóa sinh của nước thô cần xử lý, vận tốc lọc và đặc điểm của lớp vật liệu lọc (chiều dày kích thước và sự phân bố hạt vật liệu lọc). Cũng cần lưu ý rằng, chất lượng nước nước thô thay đổi theo vị trí và theo mùa. Trong thực tế, thời gian lọc để đảm bảo chất lượng nước lọc thường lớn hơn thời gian đảm bảo tổn thất áp lực nhỏ hơn và giá trị tối đa đối với mọi điều kiện vận hành bể lọc. Để đảm bảo có giải pháp kinh tế thì sự khác nhau của hai thời gian đó không được nhiều quá, thường từ 1 đến 1,5 ngày. 3.4 Quá trình lọc sắt và mangan Mục đích của quá trình lọc là loại bỏ ra khỏi nước các tạp chất mà chủ yếu ở đây là các bông cặn hydroxyt sắt và hydroxyt mangan đã hình thành trong quá trình oxy hóa. Sau khi ôxy hóa sắt và mangan, thủy phân kéo theo sự tạo thành các hydroxit sắt và hydroxit mangan và quá trình keo tụ trong thể tích tự do (với một phần cặn lắng) trên các thiết bị lọc quá trình tách khỏi nước các bông được tạo thành xảy ra, các bông này bị hấp phụ trên các vật liệu lọc. Trong quá trình này khối lượng cơ bản các bông cặn bị giữ lại trong các lớp bề mặt vật liệu, đôi khi trên cả bề mặt của chúng. Sau đó trên bề mặt các bông hydroxit sắt và hydroxit mangan bị hấp phụ có tích điện dương (pH > 6.5) xảy ra sự thu hút ôxy hòa tan ở dạng ion và ở dạng nguyên tử, quá trình thu hút sắt (II), mangan (II). Trong suốt thời gian tiến hành quá trình lão hóa của hydroxit sắt, hydroxit mangan xuất hiện do lực kết tụ giữa các bông với nhau và với bề mặt hạt vật liệu yếu đi. Lực từ áp suất thủy động của dòng nước bị lọc bắt đầu chiếm ưu thế hơn các lực dính kết giữa các bông, lực này dứt các bông và đẩy các bông ra khỏi vật liệu lọc, điều này làm giảm chất lượng nước sau lọc. Khi xử lý sắt và mangan trong nước theo phương pháp làm thoáng đơn giản quá trình chia ra làm hai giai đoạn: đầu tiên xảy ra quá trình hấp phụ các ion sắt (II), ion mangan (II) và các phân tử oxy lên bề mặt các hạt vật liệu lọc cùng với sự tạo thành màng có thành phần hóa học phức tạp, và sau đó quá trình thu hút và oxy hóa sắt, oxy hóa mangan lên bề mặt lớp màng hoạt tính. Bề mặt các hạt vật liệu lọc (cát thạch anh, Ferrolite, ODM – 2F, …) có tích điện và hiệu thế trường tích điện trên ranh giới của lớp hấp phụ đặc trưng bởi giá trị hiệu điện tĩnh. Dấu và giá trị hiệu điện thế phụ thuộc vào pH môi trường, chúng ảnh hưởng đến độ năng động quá trình thu hút trên bề mặt vật liệu với các chất thu hút có trong nước. Khi pH của nước gần 7 bề mặt các hạt cát có hiệu tĩnh điện không lớn, bởi vậy nó có khả năng thu hút yếu với các ion tích điện dương của sắt (II), mangan (II). Cùng với việc tăng pH nước thì khả năng thu hút cũng tăng theo và ngược lại. Do đó, khi lọc nước ngầm có chứa sắt (II), mangan (II) trước tiên tiến hành quá trình hấp phụ các ion sắt (II) trước rồi sau đó mới tới mangan (II) lên bề mặt các hạt vật liệu sạch. Nhờ quá trình hấp phụ các ion sắt (II), mangan (II) hiệu tĩnh điện của các hạt vật liệu giảm đi, điều này kéo theo giảm tính chất hấp phụ bề mặt hạt vật liệu lọc. Cùng với nó trong nước bị lọc có chứa oxy hòa tan, dưới tác động của oxy này các ion bị hấp phụ của sắt (II), mangan (II) chịu oxy hóa và thủy phân, điều này dẫn đến xuất hiện trên bề mặt các hạt vật liệu những lớp màng tính chất như chất thu hút mới chủ yếu tạo thành từ hydroxyt sắt, hydroxyt mangan. Trong khi bắt đầu từ thời điểm tạo thành các màng, sự thu hút các ion sắt, ion mangan diễn ra song song trên các bề mặt tự do còn lại của các hạt vật liệu lọc và trên bề mặt của hydroxit sắt, hydroxyt mangan. Quá trình đầu tiên yếu dần đi bởi sự giảm bề mặt tự do của vật liệu lọc và hiệu tĩnh điện của nó, còn quá trình hai được tăng lên nhờ sự tích tụ các bề mặt hoạt tính của hydroxyt sắt và hydroxyt mangan. Quá trình ổn định không tắt dần trong xử lý sắt, mangan của nước chỉ có thể xảy ra trong điều kiện sắt, mangan bị oxy hóa, sắt và mangan thủy phân trong cùng một đơn vị thời gian tạo ra bề mặt thu hút mới, diện tích của nó bằng hoặc nhỏ hơn diện tích bề mặt của các ion sắt (II), ion mangan (II) bị thu hút khỏi nước trong cùng thời gian đó. Sự tạo thành các mixeo keo như sau: {mFe(OH)3, nFe2+, (n-x).2HCO3}- xHCO3- Nhân Lớp hấp phụ Lớp khuếch tán Mixeo keo {mMn(OH)4, nMn2+, (n-x).HCO3}- xHCO3- Nhân Lớp hấp phụ Lớp khuếch tán Mixeo keo Trong đó: m: là số phân tử Fe(OH)3, Mn(OH)4 các phân tử này tạo ra hạt nhân của các liên kết không tan trong nước n: là số hạt ion hạt nhân bề mặt, chúng tạo ra hiệu nhiệt động x: là số ion đối bicacbonate hiện diện trong lớp khuếch tán (n-x): là số ion đối bicacbonate tạo ra lớp hấp phụ cùng với sự tạo thành hiệu điện thế bởi các ion hạt nhân bề mặt của sắt (II), mangan (II). Oxy đang có trong nước bị lọc giúp cho quá trình oxy hóa và thủy phân các ion hạt nhân bề mặt của sắt (II), mangan (II) cùng với sự tạo thành các phân tử mới của hydroxyt sắt, hydroxyt mangan, số lượng các phân tử này tăng lên không ngừng, điều này giúp tăng kích thước của các hạt nhân và làm cho quá trình thu hút sắt hai, mangan hai không ngắt quãng cho đến khi thu hút hoàn toàn. Nhờ đó hiệu tĩnh điện của các mixeo gần đến hoặc bằng không. Trong điều kiện này của các mixeo thì số lượng các ion đối trong lớp hấp phụ tương đương với số lượng các ion hạt nhân bề mắt sắt (II), mangan (II), tức là (n-x). Sau một thời gian x của các ion hạt nhân bề mặt bị biến thành các phân tử hydroxyt sắt, hydroxyt mangan và số lượng tổng cộng của chúng bằng (m+x). Trạng thái cách điện của các mixeo có thể biểu diễn trong dạng: {(m+x)[Fe(OH)3], (n-x)Fe2+, (n-x).2HCO3}o Nhân Lớp hấp phụ Mixeo keo {(m+x)[Mn(OH)4], (n-x)Mn2+, (n-x).HCO3}o Nhân Lớp hấp phụ Mixeo keo Trạng thái cách điện tương tự của các mixeo làm xuất hiện quá trình keo tụ giữa chúng với nhau và tạo thành cấu trúc dạng tới xốp trong khoảng trống giữa các lỗ hoặc ximăng hóa một phần với các hạt vật liệu lọc nhờ các muối canxi và magiê đóng vai trò chất kết dính. Các quá trình thu hút trong phương pháp xử lý sắt, mangan xảy ra khi có đủ diện tích bề mặt hoạt tính hydroxyt sắt, hydroxyt mangan, còn vận tốc thủy phân và oxy hóa sắt (II), mangan (II) phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của nước. Do đó sản phẩm của các phản ứng này có ảnh hưởng lớn lên quá trình thu hút thủy phân và oxy hóa các ion sắt (II), mangan (II), sản phẩn này là hydroxyt sắt, hydroxyt mangan . Như vậy xử lý sắt trong nước theo phương pháp làm thoáng đơn giản đặc trưng bởi sự tạo thành trong khoảng không gian giữa các lỗ những cấu trúc dạng bông tơi của hydroxyt sắt, hydroxyt mangan, là chất thu hút các ion sắt hai và mangan hai. Để loại bỏ các bông cặn hydroxyt sắt, hydroxyt mangan người ta sử dụng các thiết bị lọc. Trong các thiết bị lọc này có chứa một lớp vật liệu, chúng có thể là cát, cát thạch anh, than anthraxit, ferrolite, toyolex, nhựa vinyl, polystyrol,…Các vật liệu lọc này có thể sử dụng riêng rẽ hoặc sử dụng đồng thời (trong các thiết bị lọc nhiều lớp). Chiều chuyển động của nước trong thiết bị có thể đi từ trên xuống hoặc từ dưới lên. Khi nước có chứa bông cặn hydroxit sắt, hydroxyt mangan đi qua lớp vật liệu lọc, các bông cặn sẽ bị giữ lại trên bề mặt và trong các khe của lớp vật liệu lọc, do đó khi nước ra khỏi thiết bị lọc thì hàm lượng sắt, mangan trong nước đã giảm tới mức cho phép. Quá trình khử sắt, lượng ôxy cần đến ít hơn nhiều. Để chuyển sắt hòa tan thành sắt oxyt dydrat không tan khi có mặt bicacbonat theo phản ứng: 4Fe2+ + O2 + (2n+4)H2O → 2Fe2O3.nH2O + 8H+ 8H+ + 8HCO3- → 8H2O + 8CO2 Cộng hai quá trình trên ta có: 4Fe2+ + O2 + (2n+4)H2O + 8HCO3- → Fe2O3.nH2O + 8CO2 Như vật chỉ cần 0,14g O2 để chuyển hóa 1g sắt. Quá trình khử mangan xảy ra như sau: 4Mn2+ + (2x+y-2)O2 + (2y+4z+4)H2O → 4MnOx(OH)y(H2O)z + 8H+ 4Mn2+ + (2x+y-2)O2 + (2y+4z-4)H2O → 4MnOx(OH)y(H2O)z + 8CO2 Giá trị (2x+y) cao nhất là 4 nên (2x+y-2) không bao giờ lớn hơn 2. Lượng ôxy cần thiết là 0,29g cho 1 gam mangan, tương ứng với phản ứng sau: 2Mn2+ + O2 + 4HCO3- → 2MnO2 + 2H2O + 4CO2 Trong đó các ion Mn2+ đã bị khử thành MnO2. Ngoài ra, nhằm tăng cường hiệu quả khử sắt và mangan trong quá trình lọc còn sử dụng vật liệu xúc tác Ferrolite. Phản ứng hóa học xảy ra là: Đối với sắt: Z-Mn.Mn2O7 + 4Fe(HCO3)2 → Z-(MnO3)3-(g-FeOOH)4 + 8CO2 + 2H2O Đối với mangan: Z-MnO.Mn2O7 + 2Mn(HCO3)3 + 3H2O → Z-[MnO(OH)2]5 + 4CO2 + Z-[Mn(OH)2]2 + 2CO2 Trong đó : Z- cấu trúc vật liệu (Matrix). Z-MnO.Mn2O7 chất xúc tác oxi hóa (Ferrolite). Như vậy, cơ chế của quá trình lọc chủ yếu là quá trình tách các cặn bẩn có trong nước (ở đây là các bông cặn hydroxyt sắt ba, hydroxyt mangan bốn) và giữ chúng lại trên bề mặt các hạt vật liệu lọc. 3.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng vận hành thiết bị lọc 3.5.1 Các thông số vật lý Độ nhớt của nước thô Khi độ nhớt của nước cần xử lý giảm thì trở lực thủy lực cũng giảm và hiệu suất tách rắn – lỏng có xu hướng tốt lên. Trong thực tế vận hành cột lọc vào mùa hè tốt hơn mùa đông vì độ nhớt tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Kích thước của các hạt vật liệu lọc Kích thước hạt vật liệu lọc là một trong các thông số có ảnh hưởng lớn đến quá trình lọc. Khi kích thước hạt vật liệu nhỏ thì hiệu suất tách tăng lên vì tăng bề mặt lọc nhưng đồng thời cũng làm tăng trở lực lọc. Kích thước của các hạt lơ lửng trong nước Do cơ chế vận chuyển các hạt tới tiếp xúc với bề mặt lọc phụ thuộc trực tiếp vào kích thước của các hạt keo cần tách. Vì vậy, khi kích thước hạt tăng lên (với các hạt lớn hơn 1 mm) thì khả năng cọ sát của các hạt với bề mặt lọc cũng tăng lên và các hạt dễ được giữ lại trên bề mặt lọc. 3.5.2 Các thông số hóa học Hiệu suất lọc phụ thuộc vào khả năng hấp thụ các hạt lơ lửng trong nước lên bề mặt lọc, đó là cơ chế chính của quá trình lọc. Khả năng đó giảm dần theo thời gian lọc nên hiệu suất lọc cũng phụ thuộc vào chu kỳ rửa hoàn nguyên vật liệu lọc. Ảnh hưởng của độ pH Điện thế bề mặt của các hạt vật liệu lọc phụ thuộc vào độ pH. Vật liệu lọc thường dùng là cát, than,… các vật liệu này đều có điện thế bề mặt âm với giá trị pH từ 7 đến 9 và đó là giá trị pH thường dùng trong xử lý nước. Để tách các hạt bông keo của sắt bằng quá trình lọc, hiệu quả cáo nhất ở pH bằng 7 Lượng ôxy hóa cần thiết để ôxi hóa sắt và mangan – Bảng 7 Sắt (II) thành sắt (III) Mangan (II) thành mangan (III) Hóa chất Tỉ số Tốc độ Tỉ số Tốc độ Oxy Clo và dẫn xuất Dioxit Clo Ozon Permanagnat kali (KMnO4) 0,14 mg O2/mg Fe 0,64 mg Cl2/mgFe 1,2 mg ClO2/mgFe 0,43 mg O3/mg Fe 0,9 mg KMnO4/mg Fe Chậm ở pH=7 Nhanh ở pH=8 Rất nhanh Rất nhanh Rất nhanh Rất nhanh 0,29 mgO2/mg Mn 1,29 mgCl2/mg Mn 2,45 mgClO2/mg Mn 0,87 mgO3/mg Mn 1,42 mg KMnO4/mg Mn Rất chậm ỡ pH=7 Chậm ở pH=9 Chậm ở pH=7 Nhanh ở pH=9 Nhanh ở pH=7 Nhanh Nhanh Chương 4 Mô hình thí nghiệm 4.1 Giới thiệu các loại vật liệu lọc 4.1.1 Vật liệu lọc đa năng ODM – 2F 4.2 Quá trình thí nghiệm 4.2.1 Các tính chất của vật liệu lọc cần được xác định trước khi làm thí nghiệm 4.2.2 Phạm vi đề tài chỉ nghiên cứu vật liệu lọc như ODM – 2F, cát thạch anh, Ferrolite 4.3 Mô hình thí nghiệm 4.3.1 Qui trình thí nghiệm 4.3.1.1 Xác định sắt 4.3.1.2. Xác định mangan 4.3.1.3 Xác định độ kiềm 4.3.1.4 Oxy hòa tan (dissolved oxygen: DO) 4.3.2 Mô hình thí nghiệm 4.3.2.1 Vật liệu lọc ODM – 2F và cát thạch anh 4.3.2.2 Vật liệu lọc Ferrolite Chương 4 Mô hình thí nghiệm 4.1 Giới thiệu các loại vật liệu lọc 4.1.1 Vật liệu lọc đa năng ODM – 2F Nước sản xuất: Nga Sản phẩm được Cơ quan quản lý bằng sáng chế và thương hiệu của Cộng hòa Liên bang Nga cấp bằng sáng chế số 214375, ngày 15/12/1998. Vật liệu lọc đa năng ODM – 2F là sản phẩm thiên nhiên (thành phần chính là diatomit, zeolit, bentonit) được hoạt hóa ở nhiệt độ cao, đưa vào ứng dụng từ năm 1998 trong nhiều công trình ở Nga, Ukraina, Uzbekistan,..(tại các thành phố Matxcơva, Perma, Yekaterinburg, Irkustsk, Omsk) và nhiều quốc gia khác. Sử dụng tại Việt Nam từ năm 2002. Phạm vi ứng dụng: có thể thay thế đồng thời cả cát thạch anh, hạt xúc tác và than hoạt tính trong quy trình công nghệ xử lý nước và nước thải. Sản phẩm được chứng nhận an toàn cho sử dụng trong cấp nước sinh hoạt và ăn uống. Đặc tính: là chất hấp phụ, hấp thụ và là vật liệu lọc đa năng. Thành phần hóa học cơ bản: SiO2£84%; Fe2O3£3,2%; Al2O3+MgO+CaO = 8%. Đặc tính kỹ thuật: (Bảng 8) Chỉ tiêu Đơn vị Thông số Kích thước hạt mm 0,8 – 2,0 Tỷ trọng kg/m3 650 Diện tích bề mặt m2/g 120 – 180 Độ xốp % 70 Dung lượng hấp thụ g/g 1,3 Độ ngậm nước % 90 - 95 Khả năng ứng dụng: Nâng và ổn định độ pH của nước trong khoảng 6,5 – 8,0. Xúc tác quá trình khử sắt (Fe < 35mg/l) Giảm hàm lượng nitrogen (nitrit, nitrat, amoni), photphat (20 – 50% tùy theo tốc độ lọc từ 4 – 7 giờ), có khả năng khử Flo trong nước (tác dụng tương tự hạt xúc tác Alumina). Giảm hàm lượng một số hợp chất hữu cơ có trong nước. Khử các kim loại nặng như kẽm, đồng, crôm, niken. Giảm hàm lượng dầu (hấp thu khoảng 90 mg dầu/g hạt) Khử các chất phóng xạ. Ưu điểm: Kết hợp nhiều công đoạn xử lý như xúc tác, tạo bông, lọc cặn trong cùng một thiết bị. Tăng độ an toàn cho chất lượng nước sau xử lý. Vận hành đơn giản. Giá cả thấp hơn nhiều so với các loại chất hấp phụ khác. Có thể thay thế các loại vật liệu lọc đang sử dụng mà không cần thay đổi cấu trúc bể lọc. Lượng nước rửa lọc thấp hơn các loại vật liệu khác. Không cần sục gió. Quá trình thí nghiệm 4.2.1 Các tính chất của vật liệu lọc cần được xác định trước khi làm thí nghiệm Khi chọn vật liệu lọc xuất phát từ giá thành, vận chuyển, đồng thời thỏa mãn các yêu cầu sau: Đảm bả