Trong nước ngầm, hàm lượng sắt và mangan thường có nồng độ cao và là chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước ngầm. Vì vậy, một trong những mục tiêu của xử lý nước ngầm là việc xử lý sắt và mangan đạt hiệu quả. Sau đây là một số phương pháp xử lý nước ngầm.

1. Phương pháp xử lý sắt:

1.2. Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng

Một số phƣơng pháp xử lí Fe, Mn trong nƣớc ngầm

Nguyên lý của phương pháp này là oxy hóa sắt (II) thành sắt (III) và tách chúng ra khỏi nước dưới dạng hydroxit sắt (III). Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là muối không bền, nó dễ dàng thủy phân thành sắt (II) hydroxit theo phản ứng:

Fe(HCO3)2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H2CO3

Nếu trong nước có oxy hòa tan, sắt (II) hydroxit sẽ bị oxy hóa thành sắt (III) hydroxit theo phản ứng:

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3↓

Sắt (III) hydroxit trong nước kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách ra khỏi nước một cách dễ dàng nhờ quá trình lắng lọc.

Kết hợp cả hai phản ứng trên ta được phản ứng chung của quá trình oxy hóa sắt như sau:

4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + 10H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+ + 8HCO3-

Người ta cũng nhận thấy rằng, tốc độ phản ứng oxy hóa sắt tăng khi pH của nước tăng (nồng độ H+ giảm) và khi nồng độ hòa tan tăng.

Nước ngầm thường không chứa oxy hòa tan hoặc có lượng oxy hòa tan rất thấp. Để tăng nồng độ oxy hòa tan trong nước ngầm, biện pháp đơn giản nhất là làm thoáng. Hiệu quả của bước làm thoáng được xác định theo nhu cầu oxy cho quá trình khử sắt.

1.2. Các phương pháp oxy hóa khử bằng hóa chất

Khi trong nước 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 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 và sắt, trong trường hợp này cần dùng đến hóa chất để khử.

1.3. Khử sắt bằng vôi

Phương pháp này có thể áp dụng cho 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 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 sắt (II) dễ dàng chuyển hóa thành sắt (III). Sắt (III) hydroxit kết tụ thành bông cặn, 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 nước nguồn, mg/l.
[Fe]: hàm lượng sắt trong nước, mg/l.

1.4. Khử sắt bằng clo

Quá trình xử lý sắt bằng clo được thực hiện nhờ phản ứng sau:

2Fe(HCO3)2 + C12 + Ca(HCO3)2 + 6H2O → 2Fe(OH)3 + CaCl2 + 6H+ + 6 HCO3-

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 tính chuyển ra oxy.

1.5. Khử sắt bằng kali permangamat (KMnO4)

Khi dùng KMnO4 để khử sắt, quá trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan (IV) hydroxit vừa được tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử.

Phản ứng khử xảy ra theo phương trình sau:

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

2. Các phương pháp xử lý mangan:

Mangan trong nước thường tồn tại với sắt ở dạng ion hóa trị (II) và dạng keo hữu cơ trong nước bề mặt. Do vậy, quá trình khử mangan thường được tiến hành đồng thời với quá trình khử sắt.

Mangan (II) hòa tan khi bị oxy hóa sẽ chuyển dần thành mangan (III) và mangan (IV) ở dạng hydroxit kết tủa. Quá trình oxy hóa xảy ra theo phản ứng sau:

2Mn(HCO3)2 + O2 + 6H2O → Mn(OH)4↓ + 4H+ + 4HCO3-

Như vậy, quá trình khử mangan phụ thuộc vào độ pH của nước, pH càng cao tức là nồng độ ion H+ càng thấp. Tốc độ oxy hóa và thủy phân mangan càng lớn và quá trình oxy mangan sẽ đạt hiệu quả cao nhất ở một giá trị pH nào đó.

Thay vào phương trình biểu diễn thế oxy hóa khử mangan ta thấy rằng, để đưa hàm lượng mangan xuống đến 0.2 mg/l, pH phải có giá trị xấp xỉ 9.

Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi pH nhỏ hơn 8 và không có chất xúc tác thì quá trình oxy hóa mangan (II) thành mangan (IV) diễn ra rất chậm. Độ pH tối ưu cho quá trình thường trong khoảng 8.5 đến 9.5.

Tương tự như với sắt, quy 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 hydroxit Mn(OH)4 tích điện âm, lớp Mn(OH)4 có tác dụng làm chất xúc tác hấp thụ các ion Mn2+ và oxy 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 một chu trình phản ứng liên tục. Như vậy, hiệu quả khử mangan phụ thuộc vào lớp phủ Mn(OH)4 do chính bản thân quá trình khử tạo ra trên bền mặt hạt vật liệu lọc. Khi chưa có lớp xúc tác, hiệu quả khử chỉ đạt được với pH lớn hơn 9, khi có lớp xúc tác, phản ứng có hiệu quả ngay ở pH bằng 8.2.

Trong thực tế, để sớm đưa bể lọc vào chế độ hoạt động ổn định, cần pha thêm vào nước dung dịch kali permanganat với hàm lượng 1 đến 3 mg/l trong vài ngày đầu, hoặc nâng giá trị pH của nước lên trên 9.

Cũng như khử sắt, khử mangan có thể dùng phương pháp oxy hóa và phương pháp hóa học. Sau đây sẽ trình bày sơ lược các phương pháp đó.

2.1. Khử mangan bằng phương pháp làm thoáng

Công nghệ khử mangan về cơ bản cũng giống như công nghệ khử sắt, bao gồm giàn mưa, lắng tiếp xúc và lọc. Riêng phần bể lọc, do phản ứng oxy hóa mangan xảy ra rất chậm nên lớp cát lọc phải có bề dày từ 1.2 đến 1.5m. Cũng bằng thực nghiệm người ta chọn biện pháp thích hợp nhất để quá trình có thể đạt hiệu quả và đảm bảo tạo ra được lớp màng Mn(OH)4 bảo vệ bao quanh các hạt vật liệu lọc làm màng xúc tác cho chu kì lọc tiếp theo. Nếu rửa sạch vật liệu lọc thì chu kì sau cần có thời gian để tạo lớp màng tiếp xúc mới (thường từ 5 đến 10 ngày). Đề đạt được hiệu quả lọc cao, người ta khuyên nên dùng cát đen đã bao phủ một lớp đioxit mangan làm vật liệu lọc.

Trường hợp nước có chứa cả sắt và mangan phải tiến hành làm thực nghiệm để tìm ra quy trình xử lý kết hợp một cách hợp lý. Giàn làm thoáng phải đảm bảo đủ lượng oxy hòa tan cho quá trình oxy hóa sắt và mangan. Do sắt bị oxy hóa trước nên quá trình oxy hóa mangan sẽ xảy ra cả ở lớp cát lọc nằm dưới. Tùy theo chất lượng nước nguồn và các điều kiện kinh tế kỹ thuật cho phép mà có thể kết hợp xử lý như sau:

* Xử lý khử một bậc:

Xử lý một bậc bao gồm làm thoáng, lắng tiếp xúc, lọc một hoặc hai lớp. Việc chọn lựa cụ thể tùy theo điều kiện nếu sau khi sắt bị oxy hóa hết, độ pH của nước còn giữ được cao hơn 8 thì quá trình oxy hóa mangan sẽ diễn ra thuận lợi. Bể lọc cần có lớp cát với bề dày không nhỏ hơn 1.5m, trong trường hợp này nên dùng bể lọc hai lớp (than antraxit và cát) để có được hiệu quả cao. Ưu điểm của quá trình này là chỉ cần có một cấp bể lọc, cặn Fe(OH)3 tạo ra sẽ là nhân tố xúc tác oxy hóa. Tuy nhiên, việc rửa lọc sẽ rất phức tạp vì nếu rửa sạch cặn sắt ở lớp vật liệu phía trên (lưu lượng rửa lớn) thì khó giữ được màng xúc tác mangan (IV) hydroxit ở lớp cát lọc phía dưới.

* Xử lý khử hai bậc:

Khi hàm lượng sắt và mangan trong nước ngầm cao hoặc không thỏa mãn yêu cầu khi một bậc thì chọn quy trình lọc hai bậc. Quá trình khử sắt 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 oxy hòa tan còn lại không đủ để oxy hóa mangan thì tiến hành làm thoáng và lọc qua bể lọc qua bể lọc lần thứ hai để xử lý mangan. Quy trình này có nhược điểm là tốn kém nhưng hiệu quả xử lý cao và ổn định. Các bể lọc có chức năng rõ ràng nên vận hành rửa lọc không phức tạp.

2.2. Các phương pháp khác để khử mangan

* Phương pháp khử mangan dùng chất oxy hóa mạnh

Chất oxy hóa mạnh ở đây có thể là Clo, Ozone, kali permangamat, dùng để oxy hóa Mn2+, thành Mn4+. Clo oxy hóa Mn2+ ở pH bằng 7 trong thời gian 60 đến 90 phút. Đioxit clo (ClO2) và Ozon (O3) oxy hóa Mn2+ ở pH 6,5 đến 7 trong thời gian từ 10 đến 15 phút.

Để oxy hóa 1mg Mn2+ cần đến 1.35 mg ClO2 hoặc 1.45 mg O3. Nếu trong nước có các hợp chất amoni thì quá trình oxy hóa Mn2+ chỉ xảy ra sau khi Clo kết hợp với amoni tạo thành cloamin và trong nước còn dư Clo tự do. Kali permanganat oxy hóa Mn2+ ở mọi dạng tồn tại, kể cả keo hữu cơ, thành mangan (IV) hydroxit.

* Phương pháp khử mangan bằng sinh học

Phương pháp này sử dụng lớp vật liệu đã được cấy trên bề mặt một loại vi khuẩn có khả năng hấp thụ mangan trong quá trình sinh trưởng. Xác vi khuẩn chết sẽ tạo ra trên bề mặt hạt vật liệu lọc màng đioxit mangan MnO2 có tác dụng như chất xúc tác quá trình khử mangan.

* Phương pháp trao đổi ion

Trao đổi ion là một trong những phương pháp thường được dùng để tách các cation hoặc anion ra khỏi nước. Nhựa trao đổi ion có thể được tổng hợp tử các nhóm vô cơ hay hữu cơ có gắn các nhóm như (-SO3H), (-COO-), amin... Các cation và anion được hấp thụ trên bề mặt nhựa trao đổi ion:

nRH + Men+ → RnMe + nH+

RCl + A → RA +Cl-