Trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm
Thành phố Hồ Chí Minh
Khoa CNSH-KTMT

Bài tiểu luận
Đề tài:

Khử sắt bằng làm thoáng

GVHD: Nguyễn Đức Đạt Đức
Nhóm: 4

TP.HCM, 20/10/2016


Mục lục

2


Danh sách nhóm 4:
Nguyễn Thị Thanh Thảo
2009140369
Trương Thị Nga
2009140333
Đoàn Vủ Linh
2009140456
Nguyễn Thị Mỹ Thuận
2009140265
Phạm Hoàng Đạt
2009140026

Nguyễn Trần Đăng Danh
2009140370

3


Mở đầu
Khi xã hội ngày càng phát triển, cũng đồng nghĩa với việc chất lượng cuộc sống của con
người ngày càng được cải thiện và nâng cao hơn. Kéo theo đó, những nhu cầu tất yếu
phục cuộc sống thường ngày cũng được xã hội cũng như dư luận chú trọng và quan tâm
hơn trước. Một trong những nhu cầu không thể thiếu phục vụ của cuộc của con người là
nước sạch cấp cho ăn uống và sinh hoạt. Vai trò của nước sạch là rất quan trọng đối với sự
tồn tại cảu con người cũng như các sinh vật, con người có thể nhịn đói cả tuàn không sao
nhưng không thể thiếu nước uống quá 3 ngày.
Trong xử lý phục vụ cấp nước, có hai nguồn là cung cấp nước là nước mặt và nước
ngầm. Mỗi loại nước có tính chất và thành phần rất khác nhau nên các công đoạn xử lý
cũng rất đặc trưng riêng. Nếu như nước mặt có ưu điểm là dễ khai hơn so với nước
ngầm, thì có cũng có hạn chế lớn là dễ bị nhiễm bẩn bởi các tạp chất, các nguồn nước xả
thải hay các dòng chảy mặt. Trong khi đó nước ngầm tuy có ưu điểm là khồn bị nhiễm
bẩn, hay chứa nhiều vi sinh vật nhưng nước ngầm lại bị nhiễm sắt.
Có thể nói, có rất nhiều vấn đề cần phải được xem xét và giải quyết trong khia thác và
xử lý nước phục vụ cấp nước cho sinh hoạt. Tuy nhiên trong khổ bài báo cáo của nhóm 4,
chúng em xin chỉ tập vào khía cạnh xử lý sắt bằng phương pháp làm thoáng

4


1. Tổng quan
1.1.


Trạng thái tồn tại của sắt trong nước

1.1.1. Các hợp chất vô cơ của sắt hóa trị II
FeS, Fe(OH)2, FeCO3, Fe(HCO3)2, FeSO4…
1.1.2.Các hợp chất vô cơ của sắt hóa trị II
Fe(OH)3, FeCl3 … trong đó keo hyđroxyt sắt hóa trị III Fe(OH)3 là chất keo tụ dễ
dàng lắng động trong các bể lắng và bể lọc. Vì thế các hợp chất vô cơ của sắt hòa tan
trong nước hoàn toàn có thể xử lý bằng phương pháp lọc: làm thoáng lấy oxy của không
khí để oxy hóa sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III và cho quá trình thủy phân, keo tụ
Fe(OH)3 xảy ra hoàn toàn trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và bể lọc trong.
1.1.3.

Các phức chất cơ của vô ion sắt silicat, photphat (FeSiO (OH)3)
Các phức chất hữu cơ của ion sắt với axit humic, funvic…
Các ion sắt hòa tan Fe(OH)+, Fe(OH)3- tồn tại tùy thuộc vào giá trị thế oxy
-

hóa khử và pH của môi trường.
Các loại phức chất và hỗn hợp các ion hòa tan của sắt không thể khử bằng
phương pháp lý học thông thường, mà phải kết hợp với phương pháp hóa
học. Muốn khử sắt ở các dạng này phải cho thêm vào nước các chất oxy
hóa như: KMnO4, ozon để phá vỡ liên kết và oxy hóa ion sắt thành ion hóa
trị III hoặc cho vào nước các chất keo tụ FeCl3, Al2(SO4)3 và kiềm hóa 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.

5


1.2.


Tác hại của sắt tơi sức khỏe con người và vấn đề loại bỏ sắt trong việc phục
vụ nước cấp.

Nước chứa sắt không ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Những nguồn nước này khi
tiếp xúc với oxi không khí trở nên đục và tạo cảm quan không tốt đối với người sử dụng,
do sự oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ , tồn tại dưới dạng kết tủa keo.
Mặc dù nước chứa sắt không gây độc hại đến cơ thể tuy nhiên nước có hàm lượng sắt
cao hơn 0.5 mg/l nước thường đục có mùi tanh gây ảnh hưởng đến chất lượng nước ăn
uống , sinh hoạt và sản xuất : làm ố vàng quần áo khi giặt, làm hỏng sản phẩm của các
nghành dết, giấy , phim ảnh ,đồ hộp.. các cặn sắt kết tủa có thể làm tắc hoặc giảm khả
năng vận chuyển của các ống dẫn nước.
Ngoài ra nước bị nhiễm sắt sẽ làm cho thực phẩm biến chất, thay đổi màu sắt, mùi vị làm
giảm việc tiêu hóa và hấp thu các loại thực phẩm, gây khó tiêu, nước nhiễm sắt dùng để
pha trà sẽ làm mất hương vị của trà, nước nhiễm sắt dùng để nấu cơm làm cho cơm có
màu xám
1.3.

Nguyên nhân nước nhiễm sắt.

Trong tự nhiên sắt tồn tại trong đất và khoáng chất chủ yếu dưới dạng Fe 2O3 không tan
và quặng pyrit sắt FeS2. Một dạng khác của sắt là FeCO3 ít tan. Do ảnh hưởng của điều
kiện địa tầng, thời tiết, nắng mưa, các quá trình phong hóa và sinh hóa trong khu vực làm
nguồn nước bị nhiễm sắt, do nước chứa CO2 , nên FeCO3 có thể bị hòa tan theo phương
trình:
FeCO3 +CO2 + H2O

Fe2+ + HCO3- .

Phản ứng này không xảy ra khi hàm lượng CO2 và FeCO3 cao nếu có mặt oxi hòa tan. Tuy

nhiên trong điều kiện kỵ khí, Fe3+ bị khử thành Fe2+ một cách dễ dàng.
Fe tồn tại trong nguồn nước do sự thay đổi điều kiện môi trường dưới tác dụng của các
phản ứng sinh học xảy ra trong các trường hợp sau:

6


Trong nước ngầm có chứa một lượng Fe đáng kể , không chứa oxi hòa tan và có hàm
lượng CO2 cao. Fe tồn tại dưới dạng Fe2+ . Hàm lượng CO2 cao chứng tỏ quá trình Oxy
hóa các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật đã xảy ra và nồng độ oxi hòa tan bằng
không , chứng tỏ điều kiện kỵ khí đã hình thành.
Trong các giếng nước có hàm lượng Fe thấp . Nếu sau đó chất lượng nước giảm đi thì
do các chát hữu cơ thải ra mặt đất ở khu vực gần giếng nước đã tạo ra môi trường kỵ khí
trong lớp đất.
Trên cơ sở nhiệt động học Fe3+ là trạng thái bềnh nhất của Fe trong các nguồn nước
chứa oxy do đó chúng có thể bị khử thành Fe2+ hòa tan chỉ trong môi trường kỵ khí.
Những nghiên cứu gần đây cho thấy rằng một số vi sinh vật có khả năng sử dụng
Fe(III) làm chất nhận điện tử do quá trình trao đổi chất dưới điều kiện kỵ khí dẫn đến sự
hình thành các dạng khử Fe(II).
Như vậy, vi sinh vật không chỉ tạo ra môi trường kỵ khí cần thiết cho quá trình khử mà
còn có có khả năng khử trực tiếp Fe.
Quá trình oxy hóa pyrit sắt (FeS2) không tan cũng là nguyên nhân tạo ra môi trường kỵ
khí và sự hình thành sulfat sắt hòa tan:
2FeS2 +7O2 + 2 H2O
2.
2.1.

2Fe2+ + 4SO42- +4H+

Đặc trưng của nguồn nước nhiễm sắt và tiêu chí chọn phương pháp xử lý.

Đặc trưng của nguồn nước nhiễm sắt:

Sắt có mặt trong nước mặt và nước ngầm. Hàm lượng sắt trong nước tự nhiên rất dao
động, tùy thuộc và nguồn nước cũng như thành phần địa chất khu vực nước chảy qua.
Ngoài ra, tùy thuộc vào độ pH và sự có mặt của một số chất như cacbonat, CO 2, O2, các
chất hữu cơ tan trong nước, chúng sẽ oxy hóa hay khử sắt và làm cho sắt có thể tồn tại ở
dạng tan hay kết tủa.

7


Trong nước mặt, do ion Fe2+ dễ bị oxy hóa nên sắt thường tồn tại ở dạng Fe3+ thường là
Fe(OH)3 dưới dạng keo hữu cơ, cặn huyền phù…., và có thể dễ dàng được loại bỏ cùng
với độ đục.
Trong nước ngầm, hàm lượng sắt thường cao và phân bố không đồng đều, phụ thuộc vào
các lớp trầm tích dưới đất sâu nơi dòng nước chảy qua. Khi tiếp xúc với oxy hoặc các tác
nhân oxy hóa, ion Fe2+ bị oxy hóa thành Fe3+ và kết tủa tạo thành các bông cặn Fe(OH)3
có màu nâu đỏ.
Các ion sắt hòa tan Fe(OH)2, Fe(OH)3 tồn tại tùy thuộc và giá trị thế oxy hóa khử và pH
của môi trường. Trong đó Fe(OH)3 là chất keo tụ, dễ dàng lắng đọng trong các bể lắng và
bể lọc. Vì thé các hợp chất vô cơ của sắt hòa tan trong nước hoàn toàn có thể xử lý bằng
phương pháp lý học: làm thoáng lấy oxy của không khí để oxy hóa sắt hóa trị II thành sắt
hóa trị III và cho quá trình thủy phân, keo tụ Fe(OH)3 xảy ra hoàn toàn trong các bể lắng,
bể lọc tiếp xúc và các bể lọc.
Trong khi đó, các loại phức chất và hỗn hợp các ion hoàn tan của sắt không thể khử
bằng phương pháp lý học thong thường, mà phải kết hợp với phương pháp hóa học. Muốn
khử sắt ở dạng này phải cho thêm vào nước các chất oxy hóa như: Cl -, KMnO4, Ozone, để
phá vỡ lien kết và oxy hóa ion sắt II thành ion sắt hóa trị III hoặc cho vào nước chất keo
tụ FeCl3, Al2(SO4)3 và tiến hành kiềm hóa để có giá trị pH thích hợp cho quá trình.
2.2.


Tiêu chí chọn phương pháp:

Việc lựa chọn một hay một nhóm các phương pháp để loại bỏ sắt ra khỏi nước phụ thuộc
rất nhiều vào đặc tính , thành phần, hàm lượng các chất có trong nguồn nước ngầm cần xử
lý cũng như mục đích sử dụng của nước sau xử lý (cấp cho sinh hoạt hay cọ rửa, sản
xuất,..), khả năng tài chính….
Các phương pháp được chọn dùng phải đảm bảo tối ưu nhất trong phạm vy không những
về phương diện kỹ thuật mà cả về khía cạnh kinh tế. Do đó, trước khi quyết định sử dụng
phương pháp nào, các nguồn nước thường được lấy mẫu để phân tích thành phần và sau
8


đó tiến hành thử nghiệm hiệu quả của các phương pháp ở quy mô nhỏ trước khi áp dụng
và thực tế.
3.

Loại bỏ sắt ra khỏi nguồn nước bằng phương pháp làm thoáng.

3.1.

Mục đích phương pháp làm thoáng:

-

Lấy oxy từ không khí để oxy hóa sắt hóa trị II hòa tan trong nước.
Khử khí CO2 nâng cao pH của nước đẻ đẩy nhanh quá trình oxy hóa và thủy phân

-


sắt trong dây chuyền công nghệ khử sắt.
Làm giàu oxy để tăng thế oxy hóa khử của nước, khử các chất bẩn ở dạng khí hòa
tan trong nước.

3.2.

Nguyên tắc của phương pháp làm thoáng và các cách làm thoáng

3.2.1

Nguyên tắc của phương pháp làm thoáng:

Nguyên tắc của phương pháp làm thoáng để loaị bỏ sắt ra khỏi nước bằng cách làm giàu
oxi, tạo điều kiện để oxi hóa Fe(II) thành Fe(III) rồi phân hủy tạo thành hợp chất ít tan sắt
hidroxyt Fe(OH)3 kết tủa.
Quá trình oxi hóa diễn ra như sau: Trong quá trình làm thoáng nước, oxi được đưa vào
oxi hóa 1 số hợp chất hữu cơ, đẩy CO2 ra, làm cho pH của nước tăng đẩy nhanh quá trình
oxi hóa và thủy phân sắt và mangan trong dây chuyền công nghệ khử sắt và mangan.
Oxi hóa Fe(II) theo phương trình sau:
Trong nước có oxi hòa tan, sắt (II) hyđroxyt sẽ bị oxy hóa thành sắt (III) hyđroxyt theo
phản ứng :
4Fe2+ + 8OH- + O2 + 2H2O

4Fe(OH)3 + 8H+

Sắt (III) hyđroxyt 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.
Đặc biệt, trong nước ngầm, với sự có mặt của anion HCO3- nên có phản ứng sau :
9



H+ + HCO3-

H2O + CO2

Kết hợp các phản ứng trên ta có phản ứng chung của quá trình oxy hóa sắt như sau :
4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + 2H2O

4Fe(OH)3 + 8CO2

3.2.2. Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc
Nước cần khử sắt được làm thoáng bằng giàn phun mưa ngay trên bề mặt lọc. Chiều cao
giàn phun thường lấy cao khoảng 0,7m, lỗ phun có đường kính từ 5-7mm, lưu lượng tưới
vào khoảng 10 m3/m2.h. Lượng oxy hòa tan trong nước sau khi làm thoáng ở nhiệt độ
250oC lấy bằng 40% lượng oxy hòa tan bão hòa (ở 250oC lượng oxy bão hòa bằng 8,1
mg/l).

Làm thoáng đơn giản trên bề mặt lọc
3.2.3 Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên
Làm thoáng bằng giàn mưa

10


Nước cần làm thoáng được tưới lên giàn làm thoáng một bậc hay nhiều bậc với các sàn
rải xỉ hoặc tre gỗ. Lưu lượng tưới và chiều cao tháp cũng lấy như trường hợp trên. Lượng
oxy hòa tan sau làm thoáng bằng 55% lượng oxy hòa tan bão hòa. Hàm lượng CO 2 sau
làm thoáng giảm 50%

3.2.4. Làm thoáng cưỡng bức (giàn mưa có quạt gió và có áp lực đẩy nước)

Cũng có thể dùng tháp làm thoáng cưỡng bức với lưu lượng tưới từ 30 đến 40 m3/h.
Lượng không khí tiếp xúc lấy từ 4 đến 6m3 cho 1m3 nước. Lượng oxy hòa tan sau làm
thoáng bằng 70% hàm lượng oxy hòa tan bão hòa. Hàm lượng CO 2 sau làm thoáng giảm
75%.
3.3.

Một số thiết bị khử sắt thường được sử dụng:

3.3.1. 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 5-7
mm, tia nước dùng áp lực phun lên với độ cao 0.5 – 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.

11


Làm thoáng nhiều bậc bằng máng tràn

Làm thoáng bằng dàn ống khoan lỗ

3.3.2. Tháp làm thoáng tự nhiên:
Sử dụng tháp làm thoáng tự nhiên (giàn mưa) khi cần làm giàu oxi kết hợp 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 oxi hòa tan bằng 55% lượng oxi bão hòa và có
khả năng khử được 75% - 80% lượng CO2 có trong nước nhưng lượng CO2 còn lại sau khi
làm thoáng không xuống thấp hơn 5-6 mg/l.
3.3.3 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 là không khí được đưa vào tháp cưỡng bức bằng quạt gió. Không khí đi

ngược chiều với chiều rơi của các tia nước. Lưu lượng tưới thường lấy từ 30 đến 40
m3/m2.h. Lượng không khí cấp vào từ 4 đến 6 m3 cho 1m3 nước cần làm thoáng.

Làm thoáng cưỡng bức – thùng quạt gió

3.3.4 Bể lắng tiếp xúc:
12


Bể lắng tiếp xúc có chức năng giữ nước lại sau quá trình làm thoáng trong một thời gian
đã để quá trình oxy hóa và thủy phân sắt diễn ra hoàn toàn, đồng thời tách một phần cặn
nặng trước khi chuyể sang bể lọc. Trong thực tế thường lấy thời gian lưu của nước từ 30 –
45 phút. Bể lắng tiếp xúc có thể được thiết kế như bể lắng đứng và thường đặt ngay dưới
giàn làm thoáng.
Bể lọc tiếp xúc hay bể lọc sơ 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 như các bể lọc thông
thường với lớp vật liệu lọc bằng sỏi, than antraxit, sành sứ,.. có kích thước hạt lớn. Tốc độ
thường lọc khống chế trong khoảng 15 – 20m/h.

Giàn mưa kết hợp với bể lắng tiếp xúc
3.3.5. Bể lọc cặn sắt:
Vật liệu lọc có thể lấy cấp phối hạt lớn hơn, đường kính trung bình hạt từ 0.9 đến 1.3
mm, bề dày lớp vật liệu lọc 1m đến 1,2m, tốc độ lọc từ 5 – 10m/h. Do cặn sắt bám chắc
nên phải rửa lọc bằng nước và khí kết hợp, lưu lượng nước từ 10 – 12l/m 2.s. Nếu sử dụng
bể lọc hai lớp gồm antraxit và cát thạch anh thì hiệu quả xử lí sẽ cao hơn.
13


Bể lọc chậm


3.4.

Bể lọc nhanh

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt:

Tốc độ phản ứng của quá trình oxy hóa và thủy phân Fe2+ thành Fe3+ tuỳ thuộc vào lượng
oxy hòa tan trong nước. Tốc độ phản ứng tăng khi nồng độ oxy hòa tan tron nước tăng
lên. Để oxy hóa 1mg sắt(II) tiêu tốn 0,143mg oxy.
Thời gian oxy hóa và thủy phân sắt trên công trình phụ thuộc vào trị số pH của nước có
thể lấy như sau:
pH
Thời gian tiếp
xúc cần thiết
trong bể lắng và
bể lọc (thời gian
lưu nước) (phút)
Thời gian tiếp
xúc cần thiết
(thời gian lưu
nước) trong bể
lọc tiếp xúc ( bể
lọc 1) và bể lọc
trong (bể lọc đợt

6,0
90

6,5
60


6,6
45

6,7
30

6,8
25

6,9
20

7
15

>= 7,5
10

60

45

35

25

20

15


12

5

14


2) (phút)

Tốc độ lọc qua bể tiếp xúc có thể lấy 5 – 20m/h tùy thuộc vào thời gian lưu nước cần
thiết và lượng cặn cần giữ lại sao cho qua bể lọc đợt 1 hàm lượng cặn còn lại đi qua bể lọc
trong (lọc đợt 2) < 15 mg/l.
Tốc độ lọc qua bể lọc trong lấy 3 – 9 m/h tùy thuộc vào chiều dày và cỡ hạt của lớp vật
liệu lọc và thời gian lưu nước cần thiết.
Nhiệt độ của môi trường, nhiệt độ tang lợi cho quá trình khử khí ra khỏi nước.
Thời gian tiếp xúc giữa hai pha khí và nước, diện tích tiếp xúc càng lớn, quá trình trao đổi
càng triệt để.
Hàm lượng oxy, hàm lượng sắt, hàm lượng H2S, NH3 và các chất bẩn hữu cơ:
H2S<0.2 mg/l, NH4+<0.1mg/l.
3.5.

Ưu nhược điểm của phương pháp

Ưu điểm: Không cần sử dụng hóa chất và các thiết bị đi kèm như bình pha hóa chất,
bơm định lượng, quản lý đơn giản, chi phí vận hành thấp, dễ thực hiện.
Nhược điểm: Chi phí xây dựng cao, chỉ hiệu quả khi hàm lượng sắt nhỏ, thời gian loại
bỏ sắt lâu.

15



4.

Kết luận

Phương pháp làm thoáng chỉ phù hợp cho hộ gia đình và quy mô công nghiệp nhỏ, ở
những nơi có mặt bằng xử lý rộng và nguồn nước bị nhiễm sắt với nồng độ nhỏ. Nếu
nguồn nước bị nhiễm sắt cao thì cần phải bổ sung các hóa chất như H2O2, NaOH, các loại
phèn…, vào nước để nâng cao hiệu quả xử lý.
Nhưng phương pháp này có thể đảm bảo tối về mặt kinh tế. Để có hiệu xử lý cao trong
quy mô lớn thì ta nên kết hợp với phương pháp lọc chậm hay phương pháp khử săt bằng
hóa chất.
Ta có thể tìm hiểu thêm các công nghệ xử lý kết hợp như: làm thoán-lắng hoặc lọc tiếp
xúc-lọc trong(hàm lượng Fe>10mg/l)

16


5.

Tài liệu tham khảo:
1. Trịnh Xuân Lai , “ Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp (2004)”,

tr.309-324.
2. Trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội, “Báo cáo về ô nhiễm sắt và mangan
trong nguồn nước, công nghệ xử lý phục vụ cấp nước.
3. Nguyễn Đức Đạt Đức, “ Bài giảng kỹ thuật xử lý nước cấp”

17