Việt Nam là quốc gia có nguồn nước ngầm khá phong phú về trữ lượng và khá tốt về chất lượng. Nước ngầm tồn tại trong các lỗ hổng và các khe nứt của đất đá, được tạo thành trong giai đoạn trầm tích đất đá hoặc do sự thẩm thấu, thấm của nguồn nước mặt, nước mưa… nước ngầm có thể tồn tại cách mặt đất vài mét, vài chục mét, hay hàng trăm mét.
Đối với các hệ thống cấp nước cộng đồng thì nguồn nước ngầm luôn luôn là nguồn nước được ưa thích. Bới vì, các nguồn nước mặt thường hay bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phải phụ thuộc vào sự biến động theo mùa. Nguồn nước ngầm ít chịu ảnh hưởng bởi các tác động của con người. Chất lượng nước ngầm thường tốt hơn chất lượng nước mặt nhiều. Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keo hay các hạt lơ lửng, và vi sinh, vi trùng gây bệnh thấp.

Một số đặc điểm khác nhau giữa nước ngầm và nước mặt:

Các nguồn nước ngầm hầu như không chứa rong tảo, một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước. Thành phần đáng quan tâm trong nước ngầm là các tạp chất hoà tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, thời tiết, nắng mưa, các quá trình phong hoá và sinh hoá trong khu vực. Ở những vùng có điều kiện phong hoá tốt, có nhiều chất bẩn và lượng mưa lớn thì chất lượng nước ngầm dễ bị ô nhiễm bởi các chất khoáng hoà tan, các chất hữu cơ, mùn lâu ngày theo nước mưa thấm vào đất.

Ngoài ra, nước ngầm cũng có thể bị nhiễm bẩn do tác động của con người. Các chất thải của con người và động vật, các chất thải sinh hoạt, chất thải hoá học, và việc sử dụng phân bón hoá học… tất cả những loại chất thải đó theo thời gian nó sẽ ngấm vào nguồn nước, tích tụ dần và làm ô nhiễm nguồn nước ngầm. Đã có không ít nguồn nước ngầm do tác động của con người đã bị ô nhiễm bởi các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ, các vi khuẩn gây bệnh, nhất là các hoá chất độc hại như các kim loại nặng, dư lượng thuốc trừ sâu và không loại trừ cả các chất phóng xạ.

1. MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CƠ BẢN XỬ LÝ NƯỚC NGẦM

Có rất nhiều phương pháp để xử lý nước ngầm, tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhu cầu cấp nước, tiêu chuẩn dùng nước, đặc điểm của nguồn nước ngầm, các điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế xã hội… mà chúng ta sẽ lựa chọn công nghệ xử lý nước ngầm sao cho phù hợp. Tuy nhiên có một số quá trình cơ bản có thể áp dụng để xử lý nước ngầm được tóm tắt như bảng sau:

1. KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM

3.1  Trạng Thái Tồn Tại Tự Nhiên Của Sắt Trong Các Nguồn Nước Trong nước ngầm sắt thường tồn tại ở dạng ion, sắt có hoá trị 2 (Fe2+) là thành phần của các muối hoà tan như: Fe(HCO3)2 ; FeSO4… hàm lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới đất sâu. Nước có hàm lượng sắt cao, làm cho nước có mùi tanh và có màu vàng, gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng nước ăn uống sinh hoạt và sản xuất.

Do đó, khi mà nước có hàm lượng sắt cao hơn giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn thì chúng ta phải tiến hành khử sắt.

Các Hợp Chất Vô Cơ Của Ion Sắt

Các hợp chất vô cơ của ion sắt hoá trị II :

• FeS, Fe(OH)2, FeCO3, Fe(HCO3)2, FeSO4, v.v…

Các hợp chất vô cơ của ion sắt hoá trị III :

• Fe(OH)3, FeCl3… trong đó Fe(OH)3 là chất keo tụ, dễ dàng lắng đọng trong các bể lắng và bể lọc. Vì thế các hợp chất vô cơ của sắt hoà tan trong nước hoàn toàn có thể xử lý bằng phương pháp lý học: làm thoáng lấy oxy của không khí để oxy hoá sắt hoá trị II thành sắt hoá trị III và cho quá trình thuỷ phân, keo tụ Fe(OH)3 xảy ra hoàn toàn trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và các bể lọc trong.

Các phức chất vô cơ của ion sắt với silicat, photphat (FeSiO(OH)3 +3)

• Các phức chất hữu cơ của ion sắt với axit humic, funvic, …

• Các ion sắt hoà tan Fe(OH)+, Fe(OH)3 tồn tại tuỳ thuộc vào giá trị thế oxy hoá khử và pH của môi trường.

• Các loại phức chất và hỗn hợp các ion hoà tan của sắt không thể khử bằng phương pháp lý học thông thường, mà phải kết hợp với phương pháp hoá học. Muốn khử sắt ở các dạng này phải cho thêm vào nước các chất oxy hoá như : Cl-, KMnO4, Ozone, để phá vỡ liên kết và oxy hoá ion sắt thành ion hoá trị III hoặc cho vào nước các chất keo tụ FeCl3, Al(SO4)3 và kiềm hoá để có giá trị pH thích hợp cho quá trình đồng keo tụ các loại keo sắt và phèn xảy ra triệt để trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và bể lọc trong.

1. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT TRONG XỬ LÝ NƯỚC

4.1 Phương Pháp Ôxy Hoá Sắt

Nguyên lý của phương pháp này là oxy hoá sắt (II) thành sắt (III) và tách chúng ra khỏi nước dưới dạng hyđroxyt sắt (III). Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là một muối không bền, nó dễ dàng thuỷ phân thành sắt (II) hyđroxyt theo phản ứng:
Fe (HCO3)2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H2CO3

Nếu trong nước có ôxy hoà tan, sắt (II) hyđrôxyt sẽ bị ôxy hoá thành sắt (III) hyđrôxyt theo phản ứng:

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3↓

Sắt (III) hyđrôxyt trong nước kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách ra khỏinước một cách dễ dàng nhờ quá trình lắng lọc. Kết hợp các phản ứng tr ên ta có phản ứng chung của quá trình oxy hoá sắt như sau:

4Fe2+ + 8HCO3 + O2 + H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+ + 8HCO3

-Nước ngầm thường không chứa ôxy ho à tan hoặc có hàm lượng ôxy hoà tan rất thấp. Để tăng nồng độ ôxy hoà tan trong nước ngầm, biện pháp đ ơn giản nhất là làm thoáng. Hiệu quả của bước làm thoáng được xác định theo nhu cầu ôxy cho quá trình khử sắt.

4.2 Phương pháp khử sắt bằng quá trình ôxy hoá

Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc

Nước cần khử sắt được làm thoáng bằng dàn phun mưa ngay trên b ề mặt lọc. Chiều cao gi àn phun thường lấy cao khoảng 0,7m, lỗ phun có đ ường kính từ 5-7mm, lưu lượng tưới vào khoảng 10 m3/m2.h. Lượng ôxy hoà tan trong nước sau khi làm thoáng ở nhiệt độ 250C lấy bằng 40% lượng ôxy hoà tan bão hoà (ở 250C lượng ôxy bão hoà bằng 8,1 mg/l).

Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên

Nước cần làm thoáng được tưới lên giàn làm thoáng một bặc hay nhiều bặc với các sàn rải xỉ hoặc tre gỗ.

Lưu lượng tưới và chiều cao tháp cũng lấy nh ư trường hợp trên. Lượng ôxy hoà tan sau làm thoáng bằng 55% lượng ôxy hoà tan bão hoà. Hàm l ượng CO2 sau làm thoáng giảm 50%.

Làm thoáng cưỡng bức

Cũng có thể dùng tháp làm thoáng cư ỡng bức với lưu lượng tưới từ 30 đến 40 m3/h. Lượng không khí tiếp xúc lấy từ 4 đến 6 m3 cho 1m3 nước. Lượng ôxy hoà tan sau làm thoáng b ằng 70% hàm lượng ôxy hoà tan bão hoà. Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 75%.

4.3 Khử sắt bằng hoá chất

Khi trong nước nguồn có hàm lượng tạp chất hữu cơ cao, các chất hữu cơ sẽ tạo ra dạng keo bảo vệ các ion sắt, như vậy muốn khử sắt phải phá vỡ đ ược màng hữu cơbảo vệ bằng tác dụng của các chất ôxy hoá mạnh. Đối với nước ngầm, khi làm lượng sắt quá cao đồng thời tồn tại cả H 2S thì lượng ôxy thu được nhờ làm thoáng không đủ để ôxy hoá hết H2S và sắt, trong trường hợp này cần phải dùng đến hoá chất để khử sắt.

Biện pháp khử sắt bằng vôi

Khi cho vôi vào nước, độ pH của nước tăng lên. Ở điều kiện giàu ion OH-, các ion  Fe2+ thuỷ phân nhanh chóng thành Fe(OH)2 và lắng xuống một phần, thế ôxy hoá khử tiêu chuẩn của hệ Fe(OH)2/Fe(OH)3 giảm xuống, do đó sắt (II) dễ dàng chuyển hoá thành sắt (III). Sắt (III) hyđroxyt kết tụ th ành bông cặn, lắng trong bể lắng v à có thể dễ dàng tách ra khỏi nước. Phương pháp này có thể áp dụng cho cả nước mặt và nước ngầm. Nhược điểm của phương pháp này 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, làm mềm nước bằng vôi kết hợp với sôđa.
Biện pháp 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)3CaCl2 + 6H+ + 6HCO3
 - Biện pháp khử sắt bằng Kali Permanganat (KMnO 4)

Khi dùng KMnO4 để khử sắt, qua trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan (IV) hyđroxyt vừa đ ược tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử. Phản ứng xảy ra theo ph ương trình sau:

5Fe2+ + MnO4 - + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

Biện pháp khử sắt bằng cách lọc qua lớp vật liệu đặc biệt

Các vật liệu đặc biệt có khả năng xúc tác, đẩy nhanh quá tr ình ôxy hoá khử Fe2+ thành Fe3+ và giữ lại trong tầng lọc. Quá trình diễn ra rẩt nhanh chóng v à có hiệu quả cao. Cát đen là một trong những chất có đặc tính nh ư thế.

Biện pháp khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion được sử dụng khi kết hợp với quá trình khử cứng. Khi sử dụng thiết bị trao đổi ion để khử sắt, nước ngầm không được tiếp xúc với không khí v ì Fe3+ sẽ làm giảm khả năng trao đổi của các ionic. Chỉ có hiệu quả khi khử nước ngầm có hàm lượng sắt thấp.

Biện pháp khử sắt bằng phương pháp vi sinh

Một số loại vi sinh có khả năng ôxy hoá sắt trong điều kiện m à quá trình ôxy hoá hoá học xảy ra rất khó khăn. Chúng ta cấy các mầm khuẩn sắt trong lớp cáy lọc của bể lọc, thông qua hoạt động của các vi khuẩn sắt được loại ra khỏi nước. Thường sử dụng thiết bị bể lọc chậm để khử sắt.

5. Một số giai đoạn về công nghệ khử sắt trong nước cấp

Giai đoạn đưa các hoá chất vào nước

Giai đoạn này gồm có quá trình làm thoáng nước để làm giàu ôxy và khử khí cacbonic cùng với việc pha trộn hoá chất vào nước như vôi, phèn, clo, ôzôn, kali permanganate…
Giai đoạn xử lý sơ bộ

Mục đích của giai đoạn n ày là nhằm tạo ra những điều kiện cho phản ứng ôxy hoá khử diễn ra đ ược hoàn

toàn, nhanh chóng. Các thi ết bị cần thiết cho giai đoạn n ày 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. Tuỳ theo h àm lượng và thành phần sắt trong nước nguồn cùng với chất lượng nứơc nguồn mà quyết định quy 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 cao trên 6mg/l và cần khử triệt để khí cacbonic, quy trình khử sắt sẽ bao gồm cả ba giai đoạn trên.

6. Một số thiết bị khử sắt thường được sử dụng

Làm thoáng đơn giản trên bề mặt bể lọc

Người ta dùng giàn ống khoan lỗ phun mưa trên bề mặt lọc, lỗ phun có đường kính 5 đến 7 mm, tia n ước dùng áp lực phun lên với độ cao 0,5 đến 0,6m. Lưu lượng phun vào khoảng 10m3/m2.h. Làm thoáng trực  tiếp trên bề mặt bể lọc chỉ nên áp dụng khi nước nguồn có hàm lượng sắt thấp và không phải khử CO2.

Tháp làm thoáng tự nhiên

Sử dụng tháp làm thoáng tự nhiên (giàn mưa) khi cần làm giàu ôxy kết hợp với khử khí CO 2. Do khả năng

trao đổi của O2 lớn hơn CO2 nên tháp được thiết kế cho trường hợp khử CO2. Giàn mưa cho khả năng thu được lượng ôxy hoà tan bằng 55% lượng ôxy bão hoà và có khả năng khử được 75-80% lượng CO2 còn lại sau khi làm thoáng không xuống thấp hơn 5-6mg/l.

Tháp làm thoáng cưỡng bức

Cấu tạo của tháp làm thoáng cưỡng bức cũng gần giống như tháp làm thoáng tự nhiên, ở đây chỉ khác làkhông khí được đưa vào tháp cưỡng bức bằng quạt gió. Không khí đi ng ược chiều với chiều r ơi của các tia nước. Lưu lượng tưới thường lấy từ 30 đến 40 m3/m2.h. Lượng không khí cấp vào từ 4 đến 6m3 cho 1m3 nước cần làm thoáng.
Bể lắng tiếp xúc

Bể lắng tiếp xúc có chức năng giữ n ước lại sau quá trình làm thoáng trong một thời gian đã để quá trình ôxy hoá và thuỷ phân dắt diễn ra ho àn toàn, đồng thời tách một phần cân nặng tr ước khi chuyển sang bể lọc. Tron g thực tế thường lấy thời gian lưu của nước từ 30 đến 45 phút. Bể lắng tiếp xúc có thể đ ược thiết kế như bể lắng đứng và thường đặt ngay dưới giàn làm thoáng.

Bể lọc tiếp xúc hay bể lọc s ơ bộ được áp dụng khi hàm lượng sắt trong nước nguồn cao hoặc cần khử đồng thời cả mangan. Bể lọc tiếp xúc có cấu tạo nh ư các bể lọc thông thường với lớp vật liệu lọc bằng sỏi , than antraxit, sành, sứ…có kích thước hạt lớn. Tốc độ lọc th ường khống chế trong khoảng 15 đến 20m/h.

Bể lọc cặn sắt

Để lọc sạch nước có chứa cặn sắt, sử dụng các bể lọc nhanh thông th ường. Do khác với bể lọc cạn bẩn bình thường ở chỗ quá trình ôxy hoá và thuỷ phân sắt con tiếp tục xảy ra trong lớp vật liệu lọc, n ên ngay từ đầu chu kỳ loc, cặn đã bám sẵn trong lớp vật liệu lọc v à độ chứa cặn của lớp vật liệu lọc sẽ cao hơn.

Vì vậy, vật liệu lọc có thể lấy cấp phối hạt lớn h ơn, đương kính trung b ình hạt từ 0,9 đến 1,3 mm, bề dày lớp vật liệu lọc 1,0 đến 1,2m, tốc độ lọc lấy từ 5 đến 10m/h. Do cặn sắt bám chắc n ên phải rửa lọc bằng nước và khí kết hợp, lưu lượng nước rửa thực tế thường dùng từ 10 đến 12 l/m2.s. Nếu sử dụng bể lọc 2 lớp gốm antraxit v à cát thạch anh thì hiệu quả xử lý sẽ cao hơn.

7. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt

Tốc độ phản ứng của quá tr ình ôxy hoá và thuỷ phân Fe2+ thành Fe3+ tuỳ thuộc vào lượng oxy hoà tan trong nước tăng lên. Để oxy hoá 1mg sắt (II) ti êu tốn 0,143mg oxy.
Thời gian oxy hoá và thuỷ phân sắt trên công trình phụ thuộc vào trị số pH của nước có thể lấy như sau:

Thời gian tối ưu của quá trình keo tụ

Tốc độ lọc qua bể tiếp xúc có thể lấy 5 -20 m/h tuỳ thuộc vào thời gian lưu nước cần thiết và lượng cặn cần giữ lại sao cho qua bể lọc đợt I hàm lượng cặn còn lại đi qua bể lọc trong (lọc đợt II) ≤ 15mg/l. Tốc độ lọc qua bể lọc trong l ấy 3-9 m/h tuỳ thuộc vào chiều dày và cỡ hạt của lớp vật liệu lọc và thời gian lưu nước cần thiết.

 8. Áp dụng quá trình khử sắt vào việc xử lý nước ngầm để cấp nước cho cộng đồng dân cư nông thôn

Mục đích của việc xử lý nước cấp

Cung cấp đầy đủ lượng nước cho quá trình sử dụng của người dân và đảm bảo an toàn về mặt hoá học, vi trùng học…để thoả mãn các nhu cầu về ăn uống, sinh hoạt dịch vụ, sản xuất…N ước có chất lượng tốt, ngon không chứa các chấy gây đục, gây ra màu, mùi, vị của nước.

Tóm lại, là mọi nguồn nước thô sau khi qua hệ thống xử lý phải đạt : “tiêu chuẩn vệ sinh đối với chất lượng nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt – TCVN 5501 – 1991”

Số liệu cần thiết để thiết kế trạm xử lý khử sắt

Khi thiết kế trạm xử lý nước cấp có quá trình khử sắt, chúng ta cần phải thu thập các số liệu như sau: Công xuất hữu ích của trạm, số giờ hoạt động trong ngày hay công suất giờ.

Bơm nước liên tục với lưu lượng đủ lớn để loại trừ hết nước tồn đọng, sau đó lấy mẫu ngay tại đầu bơm để phân tích các chỉ tiêu:

Kết quả thí nghiệm khử sắt tại chỗ theo phương pháp lý học, hoá học.

Phân loại nước ngầm theo hàm lượng sắt

Phân loại nước ngầm:

 Xử lý nước ngầm có hàm lượng sắt thấp (hàm lượng sắt <10 Mg/L)

Công nghệ xử lý: (Làm thoáng đơn giản và lọc) Điều kiện áp dụng

    1.Tổng hàm lượng sắt: ≤ 10 mg/l

      2. Độ màu của nước khi chưa tiếp xúc với không khí <15 0

3. Hàm lượng SiO2  2- < 2 mg/l

4. Hàm lượng H2S  < 0,5 mg/l

5. Hàm lượng NH4 + < 1 mg/l

6. Nhu cầu oxy = độ oxy hóa + 0,47 H 2S + 0,15Fe2+ < 7mg/l

7. pH ≥7

 Sơ đồ công nghệ xử lý chung:

Nước ngầm đựợc bơm lên tù giếng khoan hay giếng đào được đưa vào làm thoáng đơn giản. Có thể dùng máng tràn,giàn mưa, ejector thu khí hay bơm nén khí để làm thoang nước. Quá trình làm thoáng ở đây chủ yếu là cung cấp oxycho nước. Nước sau khi làm thoáng được lọc qua một lớp vật liệu lọc.Tại bể lọc Fe2+ và oxy hòa tan sữ được tách ra và bám trên bề mặt của các vật liệu lọc, tạo n ên màng xúc tác bao gồm các ion oxy, Fe2+, Fe3+. Màng xúc tác sẽ tăng cường quá trình hấp thụ và oxy hóa Fe do xảy ra trong môi trường dị thể. Trong phương pháp này không đ òi hỏi phải oxy hóa hoàn toàn Fe2+ thành Fe3+ và keo tụ.

Xử lý nước ngầm có hàm lượng sắt cao (hàm lượng sắt > 10 mg/l)

Công nghệ xử lý: Làm thoáng - Lắng hoặc lọc tiếp xúc - Lọc trong

Điều kiện áp dụng

1. Độ oxy hoá < (Fe2+/28 + 5), mg/l

2. Tổng hàm lượng sắt: >10 mg/l

3. Tổng hàm lượng muối khoáng <1000 mg/l

4. Hàm lượng SiO2   2- <2 mg/l

5. Hàm lượng H2S <1 mg/l

6. Hàm lượng NH4

+ <1,5 mg/l

7. Nhu cầu oxy = độ oxy hoá + 0,47 H 2S + 0,15Fe2+ <10 mg/l

8. pH < 6,8 thì tính toán thi ết bị làm khoáng theo điều hiện khử khí CO2 nhằm tăng pH.

9. pH > 6,8 thì tính toán thi ết bị làm khoáng theo điều kiện lấy oxy để khử sắt.

Nước ngầm được bơm lên từ giếng khoan hay giếng đào được đưa vào làm thoáng bằng dàn mưa, làmthoáng cưỡng bức để làm thoáng nước. Quá trình làm thoáng ở đây chủ yếu là cung cấp oxy cho nước. Nước sau khi  làm thoáng được dẫn vào bể khuấy trộn và lắng cặn, trước khi đi vào bể nước được tiếp xúc với hoá chất có tác dụng đẩy nhanh quá trình oxy hoá hoà tan thành sắt III, nước từ bể lắng được dẫn qua bể lọc, bể lọc co chứa nhiều lớp vật liệu lọc.Nước sạch sau khi qua bể l

Các bài liên quan

• Tại sao chỉ có 1% lượng nước trên thế giới là có thể uống được?
• Xe khách bốc cháy, hơn 40 hành khách thoát chết
• Tại sao không thể uống nước từ vòi?
• Cân Bằng Độ pH Trong Cơ Thể
• Tại sao nên uống Nước có tính kiềm Alkaline?
• Vai trò của nước trong ăn kiêng
• Những lợi ích chưa biết về nước lọc
• Tin nội bộ: Cần tuyển 20 cộng tác viên
• Bệnh nhân Gout nên uống nhiều nước lọc
• Hạn chế uống nước ngọt
• Vì sao bạn không nên uống nước đóng chai?
• Ăn sạch, uống sạch
• Hôm nay, TP.HCM nước yếu, thiếu, đục
• Nước máy lại bẩn
• Dùng nước tinh khiết lâu dài có thể mắc các bệnh thiếu vi chất
• Chất lượng nước đóng chai: Báo động đỏ
• Nước máy Hà Nội nhiễm amoni gây bệnh ung thư
• Amoni trong nước cao gấp 94,7 lần tiêu chuẩn cho phép
• Nước máy nhiễm amoni vượt giới hạn: Không xử lý vì tốn kém?
• Cách phát hiện nhanh Amoni trong nước