Độ Cứng
Độ cứng gây ra do các ion kim loại hóa trị II.
Ca và Mg có mặt nhiều trong nước thiên nhiên.
Phan
Phân loạ
loaii
Mềm
Trung bình
Cứng
Rất cứng

mg/L CaCO3
0-75
75-150
150-300
>300

Phân loại cứng:
Cứng canci và manhe
Cứng carbonate và noncarbonate (phi carbonate)
Độ cứng tổng cộng = Cứng carbonate + cứng noncarbonate

1

Calci trong nước
Trong số các cation thường gặp trong nước ngọt, Ca thường có nồng độ
cao nhất. Calci là nguyên tố chìa khóa trong rất nhiều các quá trình địa
hóa và hình thành các khoáng từ nguồn các ion calci trong nước.
Các khoang
Cac
khoáng tạ

tao
o thanh
thành ban đau
đầu la
là gypsum (thach
(thạch cao) CaSO4. 2H2O;
anhydrite, CaSO4; dolomite CaMg(CO3)2; calcite và aragoniet và các
dạng khoáng khác nhau của CaCO3.
Ion calci cùng với ion magne và có thể tính thêm ion sắt (II) tạo thành
độ cứng của nước. Một trong những đặc trưng của nước cứng là mà cho
xà bông kết tủ. Độ cứng tạm htời là do sự hiện diện của ion calci và ion
bicarbonate trong nước và được loại bỏ bằng cách đun sôi nước:
Ca2+ + 2 HCO3- ' CaCO3(S) + CO2(g) + H2O

2

1


Calci trong nước
Gia tăng nhiệt độ có thể đẩy phản ứng về bên phải do giải phóng khí
CO2 và cặn CaCO3 tạo thành kết tủa trắng.
Nươc có chưa
Nướ
hứ nhieu
hi à khí carbonic
b i hoa
h ø tan
t calci
l i trong

t
cac
ù khoang
kh ù chat
h át
carbonate:
CaCO3(S) + CO2(aq) + H2O ' Ca2+ + 2 HCO3Khi phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại và khí carbonic được giải
phóng ra khỏi nước, kết tủa calci cacbonate sẽ được tạo thành và lắng
xuống
g. Nồng độä khí carbonic trong
g nước xác định
ị lượïng CaCO3 hòa tan.
Lượng khí carbonic hòa tan trong nước do cân bằng với khí quyển
không đủ để tạo nên lượng CaCO3 hòa tan trong nước thiên nhiên, đặc
biệt là nước ngầm. Quá trình hô hấp của các VSV phân hũy các chất
hữu cơ trong nước, bùn lắng và đất.
3

Các Phương Pháp Khử Cứng
Hai phương pháp:
Khử bằng vôi và soda
Trao đổi ion

Kh û Cứ
Khử
C ùng bằ
b èng hó
h ùa chấ
h át:
Sau quá trình khử cứng bằng vôi soda, độ cứng còn lại khoảng 50-85 mg

CaCO3/L.
Đối với độ cứng carbonate:
CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 ↓ + H2O (Kết tủa khi pH = 8.3)
Ca(HCO
Ca(
CO3)2 + Ca(O
Ca(OH))2 → 2 CaCO3 ↓ + H2O ((kế
ett tua
tủa khi p
pH = 9.
9.4))
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + Mg(CO3) + H2O
MgCO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 ↓ + Mg(OH)2 ↓ (kết tủa khi pH = 10.6)

4

2


Khử Cứng Vôi+Sôda
Đối với độ cứng noncarbonate:
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 ↓ + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 ↓ + 2NaCl
MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 ↓+ CaCl2
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 ↓ +2NaCl
MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 ↓ + CaSO4
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 ↓ + Na2SO4

Do nước sau làm mềm có pH cao (10.6) và có hàm lượng CaCO3 cao
Ỵ phải ổn định để CaCO3 không kết tủa trong bể lọc hoặc mạng lưới

ống dẫn.

5

Khử Cứng Vôi+Sôda
Quá trình ổn định bằng khí CO2 hoặc H2SO4 gọi là quá trình tái
carbonic (Recarbonatrion).
Khi đó pH giảm xuống còn 8.3 – 8.6, nước không có tính lắng cặn.
Phả
a n ứ
ư ng xả
ayy ra
a nhö
ö sau:
CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2
Mg(OH)2 + CO2 + H2O → MgCO3 + H2O
Khi hàm lượng Mg<40 mg/L:
Trộn (voi
vôi hoặc voi
vôi + soda (pH
(pH=9.4)
9.4)) → Lang
Lắng tiep
tiếp xú
xucc → Tai
Tái carbonic (pH = 8.6)
→ lọc
Khi hàm lượng Mg > 40 mg/L:
Trộn (vôi (pH = 10.8)) → Lắng tiếp xúc → Tái carbonic (pH > 9.5) → trộn
(soda)→ Lắng tiếp xúc → tái carbonic (pH = 8.6) → Loïc.

6

3


Khử Cứng Vôi+Sôda
Vôi + soda (pH=9.4)
Keo tụ

Lắng

CO2

Lọc

Trộn
Tái carbonic
bùn

ư nướ
ươcc
khử
Nén bùn

bùn

7

Mối Liên Quan Giữa Độ Cứng và Kiềm
Độ kiềm: tổng anion OH-, CO32-, HCO3Phân loại:

P alk: Định phân acid khi chỉ thị Phenolthalein chuyển màu từ
hồng Ỉ khong
không mà
hong
mau
M alk: Định phân acid khi chỉ thị Methyl Orange chuyển màu
từ vàng Æ cam. M alk = Total Alk
Khi pH < 8.3: P Alk = 0, M Alk = hàm lượng bicarbonate

Ion
HCO3
CO3
OH-

2-

-

PA = 0

PA <(TA/2)

PA = TA/2

PA > (TA/2)

TA

TA – 2PA


0

0

0

2PA

TA

2(TA-PA)

0

0

0

2PA-TA
8

4


Mối Liên Quan Giữa Độ Cứng và Kiềm
P Alk = hàm lượng OH và ½ hàm lượng carbonate
P Alk = M Alk/2 Ỵ chỉ có carbonates
P Alk = M alk Ỉ chỉ có OH- hiệän diệän
Độ cứng tổng cộng = độ cứng vỉnh cữu + độ cứng tạm thời
TH


=

(TH- M Alk)

+ M Alk

9

Thí Dụ
Q = 25.000 m3/ngày
CO2 = 44 mg/L
Ca2+ = 400
00 mg
g CaCO3//L (80 mg
g Ca2+//L))
Mg2+ = 100 mg CaCO3/L (24 mg Mg2+)
Na+ = 46 mg Na/L
HCO3- = 225 mg CaCO3/L
SO42- = 96 mg/L
C - = 89 mg/L
Cl
g/
Xác định lượng hóa chất tiêu thụ trong ngày.
Tính ưu tiên:
Fe2+ > Ca2+ > Mg2+ > Na2+
CO32->HCO3- > SO42->NO3->Cl-

10


5


Giải
Q = 25.000 m3/ngày
CO2 = 22 mg/L = 22 mg/L: 22 = 1meq/L
Ca2+ = 250
50 mg
g CaC
( 00 mg
g Ca2+//L)) = 250/50
50/50 = 5 meq/L
eq/
CaCO3//L (100
Mg2+ = 100 mg CaCO3/L (24 mg Mg2+) = 100/50 = 2 meq/L
Na+ = 46 mg Na/L = 46/23 = 2 meq/L
HCO3- = 225 mg CaCO3/L = 4.5 meq/L
SO42- = 96 mg/L = 2 meq/L
C-=8
Cl
89 mg/L
g/ = 2.5
5 meq/L
eq/
1.0

CO2

6.0


Ca2+
HCO3-

10.0

8.0
Mg2+

SO42-

5.5

Na+
Cl-

7.5

10.0

11

Giải
Tính toán lượng hóa chất:
1 CO2 + 1 CaO Ỉ 1 CaCO3 ↓
4.5 (Ca+ 2HCO3) +4.5 CaO Æ 4.5 CaCO3 ↓
0.5 (Ca+ SO4) + 0.5 Na2CO3 Æ 0.5 CaCO3 ↓ + 0.5(2Na + SO4)
1.5 (Mg + SO4) + 1.5 CaO Ỉ 1.5 Mg(OH)2↓ + 1.5(Ca + SO4)
1.5 (Ca+ SO4) + 1.5 Na2CO3 Ỉ 1.5 CaCO3 ↓ + 1.5(2Na + SO4)
0.5 (Mg + 2 Cl) + 0.5 CaO Æ 0.5 Mg(OH)2↓ + 0.5(Ca + 2 Cl)
0.5(Ca + 2 Cl) + 0.5 Na2CO3 Ỉ 0.5 CaCO3 ↓ + 0.5 (2Na +2 Cl)

6.0

1.0
CO2

Ca2+
HCO3-

SO42-

5.5

10.0

8.0
Mg2+

Na+
Cl-

7.5

10.0

12

6


Thí Dụ

Lượng vôi dư = 1.25 meq/L (nâng pH =10.8)
g hòa:
Lượïng CO2 để trung
1.25 (Ca + OH) + 1.25 CO2 Ỉ 1.25 CaCO3 ↓
Giả sử 40 mg/L CaCO3 và 10 mg/L Mg(OH)2 còn lại sau xử lý
Trong đó 25 mg CaCO3/L chuyển hóa thành Ca(HCO3)2 , CaCO3 còn
lại với hàm lượng cân bằng 15 mg CaCO3/L:
0.2 Mg(OH)2 + 0.4 CO2 Æ 0.2 Mg (HCO3)2
0.5 CaCO3 + 0.5 CO2 Æ 0.5 Ca(HCO3)2

13

Thí Dụ
Tổng lượng hóa chất:
Vôi =1 + 4.5 + 1.5 + 0.5 + 1.25 = 8.75 meq/L
q = 8.75 eq/m
q 3
Soda = 0.5 + 1.5 + 0.5 = 2.5 meq/L = 2.5 eq/m3
CO2 = 1.25 + 0.4 + 0.5 = 2.15 meq/L
Lượng hóa chất sử dụng mỗi ngày:
Vôi: 8.75 eq/m3 x 28 g/eq x 25.000 m3/ngaøy x 1kg/1000g = 6.125 kg/ngaøy
Soda: 2.5 eq/m3 x 53 g/eq x 25.000 m3/ngaøy x 1kg/1000g = 1.750 kg/ngaøy
CO2 = 2.15 eq/m3 x 22 g/eq x 25.000 m3/ngaøy x 1kg/1000g = 1.505 kg/ngaøy

14

7


Thí Dụ

Chất rắn sản sinh:
•

CaCO3 = 1 + 4.5 + 0.5 + 1.5 +1.25 – 0.8 = 7.95 meq/L
q

•

Mg(OH)2 = 1.5 + 0.5 - 0.2 = 1.8 meq/L

Tổng chất rắn sinh ra mỗi ngày:
•

CaCO3 = 7.95 eq/m3 x 50 g/eq x 25.000 m3/ngày x 1/1000= 9.938 kg/ngày

•

Mg(OH)2 = 1.8 eq/m3 x 29 g/eq x 25.000 m3/ngày x 1/1000= 1.305 kg/ngày

Giả sử cặn CaCO3 và Mg(OH)2 rút ra khỏi bể nén bùn có hàm lượng
khoảûng (TSS = 200 g/L) (TS = 20%).
•

Thể tích bùn rút ra khỏi bể nén bùn: (9938+1305)kg/200 = 56 m3/ngaøy

15

8