Nước là điều kiện cần thiết cho sự sống của mọi sinh vật trên trái đất. Tuy nhiên, hiện nay nguồn nước đang bị ô nhiễm nghiêm trọng bởi các tác nhân tự nhiên và do con người gây nên ảnh hưởng to lớn đến đời sống và sức khỏe của cộng đồng. Một trong các ô nhiễm thường gặp phải đó là nước sông ngòi và nước giếng khoan bị nhiễm phèn. Vậy nước nhiễm phèn là gì? Nước nhiễm phèn có đặc điểm, tác hại và cách xử lý như thế nào? Chúng ta hãy cùng tìm hiểu.
Khái niệm: nước nhiễm phèn là gì?
Trước hết phèn được định nghĩa là những muối kép có cấu tạo tinh thể đồng hình (đa phần có 8 mặt) tạo nên bởi các anion sunfat SO4-2 (cũng có thể là anion selenat SeO4-2; anion phức SeF4-2 hoặc ZnCl4-2) và cation của một hoặc hai kim loại có hoá trị khác nhau. Công thức chung của phèn là Mx(SO4)y.nH2O (gọi là phèn đơn) hoặc MIMIII(SO4)2.12H2O (gọi là phèn kép) trong đó MI là kim loại hoá trị 1 như Na+, K+, hoặc NH4+; MIII là ion kim loại hoá trị 3 như Al3+, Fe3+, Mn3+, V3+, Cr3+… Một số loại phèn cụ thể hay gặp nhất là phèn nhôm và phèn sắt.
- Phèn sắt là một muối kép của sắt (II) sunfat với muối sunfat của kim loại kiềm hay amoni, ví dụ như kali sắt sunfat KFe(SO4)2.12H2O]. Ở dạng tinh khiết, phèn sắt là tinh thể không màu, nhưng thường có màu tím vì có vết mangan và tan tốt trong nước. Khi nước nhiễm phèn sắt sẽ có vị hơi chua, mùi tanh và khi tiếp xúc với không khí sẽ hình thành kết tủa làm nước có màu vàng đục.
- Phèn nhôm hay còn gọi là phèn chua gồm 2 loại phèn nhôm đơn: Al2.(SO4)3.18H2O. và phèn nhôm kép: muối kép của sunfat nhôm với sunfat kim loại kiềm hoặc amoni. Dung dịch phèn chua có tính axit, không độc. Tinh thể phèn tan trong nước tạo màng hiđroxit lắng xuống kéo theo các chất bẩn lơ lửng trong nước, vì vậy, nó được dùng làm trong nước vì vậy nó được dùng làm trong nước và có nhiều ứng dụng khác trong đời sống, y học,…
Nguồn gốc và tác hại của nước phèn
Dựa vào khái niện nước nhiễm phèn, tác hại lớn và ảnh hưởng nhất đến từ nước nhiễm phèn sắt (Fe) và mangan (Mn). Trong khi đó phèn nhôm lại có tác dụng trong việc làm trong nguồn nước nhiễm bẩn bởi chất rắn lơ lửng.
Trong nước ngầm, sắt và mangan thường tồn tại cùng nhau ở dạng ion hóa trị II trong các muối hòa tan như bicacbonat, sunfat, clorua,…Hàm lượng sắt thường cao khoảng hơn 2mg/l và phân bố không đồng đều ở các lớp trầm tích sâu tùy thuộc tính chất thổ nhưỡng. Trong nước mặt thì sắt lại tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất của ion hóa trị III và dễ dàng chuyển hóa sang dạng keo tụ, huyền phù làm cho nước có nhiều cặn bẩn lơ lửng màu vàng.
Một số biểu hiện và tác hại của nước nhiễm sắt và mangan đã được nghiên cứu và công bố như sau :
- Nước có mùi tanh vị khó chịu (do ion Fe2+ tan trong nước), màu đỏ nâu (ion Fe2+ bị oxy hóa thành Fe3+ tạo kết tủa làm cho quần áo bị ố vàng khô ráp dễ mục, sàn nhà và dụng cụ chứa đựng bị ố màu, đóng cặn và ăn mòn.
- Lắng cặn gây gỉ sét, tắc nghẽn trong đường ống dẫn nước.
- Nước bị nhiễm phèn sẽ làm cho thực phẩm biến chất, thay đổi màu sắc, mùi vị. Ví dụ như mất hương vị trà, cơm nấu có màu xám.
- Khi nước nhiễm phèn đi vào cơ thể, ion Fe2+ và Mn2+ kết hợp với các hợp chất trong bộ máy tiêu hóa sẽ làm giảm việc tiêu hóa và hấp thu các loại thực phẩm, hình thành kết tủa gây khó tiêu, bệnh về đường ruột có thể là ung thư, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người.
- Trong sinh hoạt sử dụng nước nhiễm phèn sẽ làm khô da, gây phồng rộp bong tróc vảy.
Khi trong nước có chứa hàm lượng sắt và mangan cao, lớn hơn giới hạn cho phép, nước có mùi tanh, vị chua chua se se do đặc trưng tính axit của muối phèn sẽ làm giảm chất lượng nước ăn uống sinh hoạt và sản xuất. Vì vậy khi nước bị nhiễm phèn thì phải tiến hành xử lý khử phèn, loại bỏ sắt và mangan xuống nồng độ hòa tan trong nước ở mức nhỏ hơn 0.1mg/l và 0.05mg/l.
Những cách xử lý nước nhiễm phèn
Việc xử lý để loại bỏ tình trạng nhiễm phèn trong nguồn nước hiện nay phần lớn đều dựa vào tính chất dễ bị oxy hóa và kết tủa của ion: chuyển hóa dạng ion sắt hóa trị II tan tốt trong nước thành dạng không tan ở hóa trị III, lọc bỏ kết tủa và mangan hóa trị II về dạng hóa trị III,IV.
Một số lưu ý quan trọng trong việc tối ưu hóa loại bỏ sắt và mangan như sau :
- Tốc độ oxy hóa Fe(II) phụ thuộc vào pH, với pH>7 khả năng oxy hóa đạt hiệu quả cao nhất.
- Tính chất hóa học của mangan gần tương tự với sắt tuy nhiên việc loại bỏ mangan khỏi nước khó hơn so với sắt. Quá trình oxy hóa mangan xảy ra với tốc độ rất chậm trừ khi pH tăng lên 9,5 tuy nhiên khi thực hiện việc đồng kết tủa kép sắt và mangan, pH hợp lý nằm ở mức 8,5.
Dưới đây là một số phương pháp đang được áp dụng hiện nay để xử lý nước nhiễm phèn, loại bỏ sắt và mangan.
Phương pháp oxy hóa trực tiếp
Từ tính chất oxy hóa nước nhiễm phèn để chuyển hóa các ion kim loại sắt và mangan từ dạng hòa tan về dạng dễ kết tủa, việc sử dụng các tác nhân oxy hóa đã được nghiên cứu và lựa chọn. Ngoài oxy phân tử ra, các chất oxy hóa hoá học khác có thể được sử dụng như clo, thuốc tím kali permanganat, ozon,…với đặc điểm vượt trội ở tốc độ phản ứng oxy hóa nhanh hơn.
Quá trình oxy hóa sắt cần chỉ trao đổi điện tử và thủy phân tạo kết tủa do đó phản ứng xảy ra nhanh. Tốc độ phản ứng này nhanh nên thường diễn biến trước quá trình oxy hóa mangan.
4Fe2+ + 10H2O + O2 → 4Fe(OH)3 ↓ + 2H+
Mn2+ + O3 + H2O → MnO2 ↓ + O2 + 2H+
8Mn2+ + 2MnO4- + 7H2O → 5Mn2O3 ↓ + 14H+
3Mn2+ + 2MnO4- + 2H2O → 5MnO2 ↓ + 4H+
Sử dụng các tác nhân oxy hóa sẽ oxy hóa sắt và mangan trong nước nhiễm phèn để tạo thành các hạt không tan có thể dễ dàng được lọc từ nước. Các hạt này sẽ tích tụ trên bộ lọc theo thời gian và phải được loại bỏ khỏi nước sau một thời gian nhất định trong đó bộ lọc cát được sử dụng rộng rãi cho việc loại bỏ sắt và mangan do thiết kế đơn giản và phương tiện lọc lâu dài.
Ưu điểm
- Tốc độ oxy hóa diễn ra nhanh tùy thuộc vào tác nhân lựa chọn.
- Xử lý loại bỏ kép đồng thời cả sắt và mangan.
Nhược điểm
- Sự oxy hóa phụ thuộc vào pH của nước xử lý phải lớn hơn 7. Nếu độ pH thấp hơn thì cần phải tiền xử lý nâng tính kiềm của nước.
- Liều lượng của tác nhân oxy hóa khó đảm bảo chính xác.
- Thời gian xử lý lâu do phản ứng triệt để cần thời gian lưu.
- Cần lắp thêm bộ xử lý kết tủa
Phương pháp kết tủa
Dựa trên tính chất không tan của một số gốc muối sắt và mangan, việc sử dụng tác nhân làm kết tủa ion sắt II và mangan II có thể được áp dụng trong việc loại bỏ trong nước nhiễm phèn mà phổ biến nhất là kết tủa muối cacbonat.
Tác nhân và phản ứng tạo kết tủa diễn ra như sau:
Fe2+ + CO32- → FeCO3 ↓
Mn2+ + CO32- → MnCO3 ↓
Ngoài việc sử dụng các muối vô cơ carbonat tan như Na2CO3, dung dịch canxi cacbonat hòa tan, các dung dịch kiềm tính như NaOH, sữa vôi cũng có thể áp dụng kèm thêm sục khí để tăng hiệu quả phản ứng.
Phương pháp sử dụng vật liệu lọc hấp phụ
Hiện nay phương pháp này được sử dụng khá phổ biến trong việc xử lý không chỉ nước nhiễm phèn mà ở các nguồn nước nhiễm kim loại riêng biệt. Về cơ bản, các vật liệu lọc hấp phụ được sản xuất có khả năng xúc tác, đẩy nhanh quá trình oxi hóa khử Fe2+ thành Fe3+, Mn2+ thành Mn4+ tạo dạng kết tủa đồng thời hấp phụ các chất kết tủa này lên bề mặt vật liệu lọc, sau đó sẽ hoàn nguyên bằng cơ chế rửa ngược.
Phương pháp này cũng đòi hỏi pH của nước đầu vào đạt yêu cầu ≥ 7,0 thế oxy hóa khử > 700mV ( đối với yêu cầu khử mangan). Bản chất vật liệu lọc hấp phụ có khả năng oxy hóa này là hạt vật liệu được bọc chất oxy hóa như KMnO4, MnO2,…
Một số loại vật liệu lọc hấp phụ sử dụng để loại bỏ sắt và mangan như : cát mangan, manganese greensand, hạt birm, hạt filox,…
Ưu điểm
- Vận hành đơn giản, có thể đưa vào bể lọc đang sử dụng.
- Tuổi thọ vật liệu cao.
- Không cần sử dụng hóa chất và dụng cụ đi kèm như bơm định lượng, bình pha,…
Nhược điểm
- Phải tiền xử lý nâng pH nước đầu vào trước khi đưa qua vật liệu khi không đạt pH yêu cầu.
- Với một số loại vật liệu hấp phụ cần tái sinh định kỳ để hoàn nguyên.
- Lượng vật liệu sử dụng cần phải được điều chỉnh tùy thuộc vào mức độ nhiễm phèn của nước.
Phương pháp sinh học
Trong một số trường hợp, nhiều vi khuẩn sẽ sử dụng oxy không khí để oxy hóa sắt và mangan trong nước nhiễm phèn theo nguyên lý sinh học trong môi trường hiếu khí. Đối với các vi khuẩn, quá trình oxy hóa là do hoạt động của một enzyme nội bào, ion kim loại hòa tan sẽ được hấp phụ trên bề mặt của màng tế bào sau đó nó sẽ được oxy hóa qua enzym, phèn sẽ được tập trung trong một vỏ bao quanh tế bào hoặc nhóm tế bào.
Điều kiện để xúc tác cho quá trình oxy hóa sinh học cần thiết yêu cầu môi trường pH lớn hơn 7,5 và đạt độ bão hòa oxy hòa tan. Những phản ứng này được gây ra bởi các vi khuẩn dị dưỡng với số lượng lớn trong môi trường tự nhiên đặc biệt là nước ngầm và trầm tích.
Một số loại vi khuẩn có khả năng xử lý như :
- Sắt : Leptothrix, Crenothrix (Cr. Polyspora), Clonothrix, Siderocapsa, Ferrobacillus, Sideromonas, Thiobacillus ferro-oxydans,…
- Mangan : Pseudomonas (Ps. manganoxydans), Metallogenium (M. personatum, M. symbioticum), Leptothrix, Hyphomicrobium (H. vulgare).
Ưu điểm
- Xử lý tốt nước nhiễm phèn ngay từ nguồn nước ngầm
- Thân thiện với môi trường, không tạo nguồn thải độc hại khó xử lý
Nhược điểm
- Điều kiện xúc tác oxy hóa sinh học cần đạt yêu cầu
- Có thể gây hại cho bể chứa do tắc nghẽn sinh khối.
- Gây ăn mòn vi khuẩn cho các đường ống dẫn chứa bằng sắt thép
- Chi phí đầu tư ban đầu cao.
Phương pháp trao đổi ion
Nguyên lý của phương pháp này là dùng các vật liệu trao đổi cationit để trao đổi ion Na, K với ion sắt và Mn có trong nước nhiễm phèn.
2[K]-Na + Fe2+ → [K2]-Fe + 2 Na+
2[K]-Na + Mn2+ → [K2]-Mn + 2 Na+
Các ion kim loại sắt và mangan sẽ bị giữ lại trong vật liệu trao đổi ion và trả lại một lượng ion Na+ cho nước sau lọc do đó sau một khoảng thời gian nhất định cần tiến hành hoàn nguyên lại ion cho vật liệu trao đổi ion bằng nước muối.
Ưu điểm
- Hiệu quả khử phèn cao.
- Có thể xử lý cho nguồn nước nhiễm phèn ở nồng độ sắt thấp.
Nhược điểm
- Khả năng trao đổi ion giảm khi nước tiếp xúc với không khí do sự tạo thành ion sắt III
- Chi phí cao, nguyên vật liệu đắt và không sẵn có.
Nước nhiễm phèn hay phần lớn chứa thành phần sắt và mangan sẽ làm quần áo ố vàng, các dụng cụ vật chứa bị ố bám cặn đen đặc biệt dấu hiệu nhận biết rõ ràng nhất đó là nước có mùi tanh hôi, vị kim loại gây khó chịu trong đời sống. Để có nguồn nước sạch trong sinh hoạt cũng như ăn uống và không bị nhiễm các thành phần độc tố, cần phải có phương pháp xử lý triệt để tình trạng nước nhiễm phèn và là yếu tố hàng đầu trong xử lý nước sạch trước khi sử dụng cho sinh hoạt.
Với nhiều công trình nghiên cứu và thử nghiệm thành công, hiện nay có khá nhiều phương pháp xử lý nước nhiễm phèn khác nhau. Tùy thuộc vào điều kiện cũng như đặc điểm nguồn nước khác nhau có thể lựa chọn phương pháp phù hợp hoặc sử dụng các quá trình tự nhiên, như sục khí và lọc đa phương tiện, kết hợp các phương pháp để có hiệu quả và có những lợi ích đáng kể về mặt hoạt động và chi phí. Ngoài ra khi kết hợp hay sử dụng riêng lẻ từng phương pháp để hệ thống vận hành thành công, phải cân nhắc cẩn thận để xem xét thiết kế cho từng nguồn nước.
