ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGÔ QUỲNH NGA

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH XỬ LÝ SẮT
TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG BỂ LỌC TRÊN ĐỊA BÀN
XÃ BẢN NGOẠI HUYỆN ĐẠI TỪ, TỈNH THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

THÁI NGUYÊN - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGÔ QUỲNH NGA

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH XỬ LÝ SẮT
TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG BỂ LỌC TRÊN ĐỊA BÀN
XÃ BẢN NGOẠI HUYỆN ĐẠI TỪ, TỈNH THÁI NGUYÊN
Chuyên ngành: Khoa học môi trường
Mã số: 60 44 03 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. Trần Thị Phả

THÁI NGUYÊN - 2017


Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để các học viên hoàn thành tốt khóa học và
đủ điều kiện để bảo vệ Luận văn Thạc sỹ trong thời gian sớm nhất.
Sau cùng tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, cơ quan, đồng nghiệp đã
giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học và nghiên cứu, thực
hiện đề tài Luận văn Thạc sỹ.
Do thời gian có hạn và kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm thực tiễn chưa nhiều
nên đề tài Luận văn này còn nhiều hạn chế, thiếu sót. Rất mong nhận được những ý
kiến chỉ bảo, đóng góp của các Thầy, Cô, các chuyên gia và những người quan tâm
đến đề tài nghiên cứu này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 06 tháng 10 năm 2017
Học viên

Ngô Quỳnh Nga


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CÁM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................. viii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu của đề tài .................................................................................. 2
1.2.1. Mục tiêu chung ................................................................................. 2
1.2.2. Mục tiêu cụ thể ................................................................................. 2

1.5.1. Tình hình xử lý sắt trong nước trên thế giới ................................... 25
1.5.2. Tình hình xử lý sắt trong nước ngầm được sử dụng trong nước
sinh hoạt với quy mô hộ gia đình tại khu vực nông thôn ở Việt Nam ..... 27
Chương 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU ................................................................................................................ 30
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 30
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................... 30
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 30
2.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ......................................................... 30
2.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 30
2.4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 31
2.4.1. Phương pháp thu thập tài liệu ......................................................... 31
2.4.2. Phương pháp điều tra xã hội học .................................................... 31
2.4.3. Phương pháp lấy mẫu nước ............................................................ 32
2.4.4. Phương pháp phân tích ................................................................... 33
2.4.5. Phương pháp bố trí thí nghiệm ....................................................... 33
2.4.6. Phương pháp xử lý số liệu .............................................................. 36


v

Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................ 37
3.1. Đặc điểm và tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước ngầm tại xã Bản
Ngoại, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên ..................................................... 37
3.1.1. Về điều kiện tự nhiên ...................................................................... 37
3.1.2. Điều kiện kinh tế xã hội .................................................................. 38
3.2. Khảo sát, đánh giá hàm lượng sắt trong nước ngầm một số khu vực
trên địa bàn xã Bản Ngoại ............................................................................ 42
3.2.1. Nguồn cấp nước .............................................................................. 42
3.2.2. Điều tra, khảo sát chất lượng nguồn nước ngầm thông qua ý kiến

CuSO4

: Đồng sunfat

Fe

: Sắt

Fe(OH)2

: Sắt (II) hidroxyt

Fe(OH)3

: Sắt (III) hidroxyt

FeCl2

: Sắt(II) clorua

FeO

: Oxyt sắt

FeSO4

: Sắt sunfat

H2O



vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng đặc tính kỹ thuật của cát thạch anh ....................................... 22
Bảng 2.1: Vị trí lấy mẫu nước thực nghiệm.................................................... 32
Bảng 2.2. Độ dày vật liệu lọc theo các công thức khác nhau ......................... 35
Bảng 3.1: Vị trí tọa độ khu mỏ........................................................................ 41
Bảng 3.2: Trữ lượng khai thác quặng toàn mỏ ............................................... 42
Bảng 3.3. Tỷ lệ nguồn cấp nước trên địa bàn ................................................. 42
Bảng 3.4: Chất lượng nguồn nước qua cảm quan ........................................... 44
Bảng 3.5: Cách sử dụng nguồn nước của người dân ...................................... 45
Bảng 3.6: Đánh giá chung về nguồn nước qua ý kiến người dân ................... 46
Bảng 3.7: Cách xử lý rác thải của người dân .................................................. 47
Bảng 3.8: Tỷ lệ hộ dân sử dụng hóa chất trong nông nghiệp ......................... 48
Bảng 3.9: Kết quả phân tích mẫu thực nghiệm ............................................... 49
Bảng 3.10: Thông số nước ngầm đầu vào....................................................... 51
Bảng 3.11. Hàm lượng Fe đầu ra sau 5 ngày lọc liên tục ............................... 52
Bảng 3.12: Hàm lượng Fe qua 8 ngày lọc ...................................................... 54
Bảng 3.13. Hàm lượng Fe trong 10 ngày lọc liên tục ..................................... 56
Bảng 3.14: Chi phí xây dựng mô hình lọc ...................................................... 61


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Vòng tuần hoàn Sắt (theo L.M.Prescott và cộng sự) ........................ 8
Hình 2.1. Mô hình xử lý sắt trong nước ngầm bằng bể lọc sinh học .............. 33
Hình 3.1: Biểu đồ thể hiện nguồn nước cấp trên địa bàn................................ 43
Hình 3.2: Biểu đồ khảo sát chất lượng nước qua cảm quan của người dân ... 44

phục vụ nhu cầu của đời sống. Tuy nhiên, cùng với quá trình hình thành các
khu công nghiệp, khu chế xuất và sinh hoạt đông đúc tại các khu dân cư đã và
đang đẩy nguồn tài nguyên quý giá này tới nguy cơ ô nhiễm nặng nề. Nguồn
nước bị nhiễm sắt là một điển hình, vấn đề này đã và đang ảnh hưởng rất nhiều
đến chất lượng cuộc sống và sản xuất của người dân. Để có thể đảm bảo được
sức khỏe cho chính mình và người thân, cộng đồng, xã hội luôn quan tâm đến
vấn đề nước sạch sinh hoạt và luôn trăn trở để tìm ra hướng xử lý triệt để
chúng.(Trịnh Xuân Lai, 2009)[13].
Bản Ngoại là một xã nằm ở phía Tây Bắc huyện Đại Từ, trong những năm
gần đây với sự hoạt động của mỏ khai khoáng sắt và mangan trên địa bàn đã vô


2

tình khiến nguồn nước ngầm sử dụng cho sinh hoạt của người dân bị nhiễm sắt.
Việc nguồn nước gặp vấn đề không chỉ gây khó khăn, bất tiện trong sinh hoạt
hàng ngày cho người dân mà đằng sau đó còn có những hậu quả vô cùng nghiêm
trọng đến chính sức khoẻ người dân. Để có nước sinh hoạt hàng ngày, các hộ
gia đình sử dụng nguồn nước đã xử lý qua bể lọc thô sơ chỉ gồm cát là vật liệu
lọc chính, tuy nhiên nguồn nước lọc ra cũng không đảm bảo. Do đó, đa phần
nguồn nước dung trong ăn uống của người dân phải mua nước bình hoặc nước
khoáng nên rất tốn kém.
Vì vậy, để có được nguồn nước sạch trong sinh hoạt và không bị nhiễm
thành phần sắt trong nước, cần phải xử lý sắt là tiêu chí hàng đầu trong khâu
xử lý nước sạch khi đưa vào sử dụng.
Xuất phát từ thực tiễn đó em tiến hành thực hiện đề tài “ Nghiên cứu mô
hình xử lý sắt trong nước ngầm bằng bể lọc trên địa bàn xã Bản Ngoại,
huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên”.
1.2. Mục tiêu của đề tài
1.2.1. Mục tiêu chung


4

Chương 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Cơ sở khoa học của đề tài
1.1.1. Cơ sở lý luận
Trong nước tự nhiên, kể cả nước mặt, nước ngầm đều có chứa sắt. Hàm
lượng sắt và dạng tồn tại của chúng tùy thuộc vào từng loại nguồn nước, điều
kiện môi trường và nguồn gốc tạo thành chúng.
Trong nước ngầm sắt tồn tại dạng ion, sắt có hóa trị II( Fe2+) là thành phần
của các muối hòa tan như: bicacbonat Fe(HCO3)2, sunfat FeSO4. Hàm lượng
sắt có trong nước ngầm thường cao và phân bố không đều trong trầm tích dưới
sâu.
Khi tiếp xúc với oxy hoặc các tác nhân oxy hóa, ion Fe2+ bị oxy hóa thành
ion Fe3+ và kết tủa thành bông cặn Fe(OH)3 có màu nâu đỏ. Các bông cặn có
khả năng lắng lọc trên bề mặt của vật liệu lọc.
Ở Việt Nam, phần lớn dân số dùng nước giếng khoan với quy mô hộ gia
đình. Nồng độ sắt trong nước ngầm tương đối cao khoảng từ 1 - 30 mg/l. Do
vậy, việc nghiên cứu mô hình xử lý sắt bằng bể lọc với các vật liệu lọc có giá
thành rẻ, mô hình đơn giản để các hộ dân có thể thực hiện được là cần thiết.
1.1.2. Cơ sở thực tiễn
Theo tổ chức Y tế thế giới, thì hiện nay đến 80% bệnh tật ở các quốc gia
đang phát triển có liên quan đến nguồn nước và môi trường. Và tại Việt Nam,
mỗi năm có đến 9.000 trường hợp tử vong, 200.000 người mắc bệnh ung thư
mà có nguyên nhân chính bắt nguồn từ ô nhiễm nguồn nước, điển hình là nguồn
nước bị ô nhiễm do sắt. Việc nguồn nước gặp vấn đề không chỉ gây khó khăn,
bất tiện trong sinh hoạt hàng ngày cho người dân mà đằng sau đó còn có những
hậu quả vô cùng nghiêm trọng đến chính sức khoẻ người tiêu dùng (Đinh Hải
Hà, 2009)[8].

- Khi nóng đỏ, cháy với oxi:3Fe + 2O2 -> Fe3O4b.


6

Phản ứng với các phi kim: Khi bị đốt nóng, Fe phản ứng với hầu hết các
phi kim.
* Phản ứng với nước:
Ở nhiệt độ nóng đỏ, Fe phản ứng mạnh với hơi nước:
Fe + H2O -> FeO + H2

3Fe + 4H2O -> Fe3O4 + 4H2d.

Phản ứng với axit thông thường: Fe + H2SO4 -> FeSO4 + H2e.
* Phản ứng với axit oxi hoá:
- Fe bị thụ động hoá bởi HNO3 đặc, nguội và H2SO4 đặc, nguội.
- Trong các trường hợp khác (H2SO4 đặc, nóng; HNO3 loãng), Fe dễ dàng
phản ứng.
Fe + 2H2SO4 (đ) -> FeSO4 + SO2 + 2H2O
Fe + 4HNO3(l) -> Fe(NO3)3- + NO+ 2H2O
* Với dung dịch kiềm: Fe không tác dụng với dung dịch kiềm. Đẩy kim
loại yếu khỏi hợp chất: Fe + CuSO4 -> Cu + FeSO4. Hợp chất. OxitCó 3 loại:
FeO, Fe2O3, Fe3O4 (FeO.Fe2O3).
- Cả 3 đều là chất rắn, không tác dụng với H2O và không tan trong H2OVới chất khử (như CO, H2 ở nhiệt độ cao) : Oxit chứa sắt có số oxi hoá cao bị
khử thành oxit có số oxi hoá thấp rồi thành kim loại:
Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO -> Fe
- Với chất oxi hoá: Oxit chứa sắt có số oxi hoá thấp biến thành oxit có số
oxi hoá cao: 2FeO + 1/2O2 -> Fe2O3
- Cả 3 đều là oxit bazơ, hoà tan trong axit, không hoà tan trong kiềm.
FeO + 2HCl -> FeCl2 + H2OFe3O4 + 3H2SO4 -> FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 3H2O

(III) là chất kết tủa. Nước bị ô nhiễm bởi sắt (III) sẽ xuất hiện vẩn đục màu nâu
đỏ và lắng xuống đáy. Sắt hữu cơ có thể làm cho nước có màu nhưng không
kết tủa và lắng xuống (Lê Huy Bá, 2009)[2].
Trong nước ngầm sắt thường tồn tại dạng ion, muối Fe2+ của sắt có hóa trị
(II) là thành phần của các muối hòa tan là: Fe(HCO3)2, FeSO4.... hàm lượng sắt
trong nước ngầm thường cao và phân bố không đều trong các lớp trầm tích dưới
đất đá sâu (Lê Huy Bá, 2009) [2]


8

- Các hợp chất vô cơ hóa trị (II) của ion sắt: FeS, Fe(HCO3)2, Fe(OH)2,
FeCO3...
- Các hợp chất vô cơ của ion sắt hóa trị (III): FeCl3, Fe(OH)3.... Trong đó
Fe(OH)3 là chất keo tụ dễ lắng đọng trong các bể và lắng và bể lọc.
- Các phức chất vô cơ của ion sắt với silicat, photphat FeSiO(OH)3+
- Các phức chất hữu cơ của ion sắt với axit humic, funvic...
- Các ion sắt hòa tan Fe(OH)2, Fe(OH)3 tồn tại tùy thuộc vào giá trị thế
oxy hóa khử và pH môi trường.
* Vòng tuần hoàn của sắt trong tự nhiên
Trong thiên nhiên sắt chủ yếu tồn tại dưới dạng quặng sắt vàng (FeS 2) tồn
tại trong thạch quyển, trong nước có ít hơn. Sắt tồn tại dưới 2 dạng oxy hóa
Fe2+ và Fe3+. Khi chịu ảnh hưởng của vi sinh vật, pH và thế oxy hóa khử, 2
dạng đó có thể chuyển hóa lẫn nhau. Chỉ có sắt hóa trị 2 mới được vi sinhvật
hấp thu sử dụng, chuyển hóa thành các chất hữu cơ chứa sắt. Sắt (II), sắt (III)
và chất hữu cơ chứa sắt dưới tác dụng của vi sinh vật sẽ xẩy ra các phản ứng
oxy hóa, khử, thực hiện vòng tuần hoàn sinh địa hóa học của sắt (hình dưới
)(Đặng Kim Chi, 2005)[5].

Hình 1.1. Vòng tuần hoàn Sắt (theo L.M.Prescott và cộng sự)[5]



10

ngầm và các lỗ hổng dưới lòng đất ngày nay, làm cho nguồn nước bị ô nhiễm
nghiêm trọng đặc biệt là nước nhiễm phèn ( Lê Huy Bá, 2009)[2].
Nguyên nhân chủ yếu của nước ngầm nhiễm phèn là do hàm lượng sắt
trong nước ngầm quá cao, và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích
dưới đất sâu. Trong nước ngầm sắt thường tồn tại ở dạng ion, sắt có hóa trị 2
(Fe2+) là thành phần của các muối hòa tan. Sắt (II) bicacbonat là một muối
không bền, nó dễ dàng thuỷ phân thành sắt (II) hyđroxyt theo phản ứng sau:
Fe(HCO)3)2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H2CO3
Nếu trong nước có oxy hòa tan, sắt (II) hyđroxyt sẽ bị oxy hoá thành sắt
(III) hyđroxyt theo phản ứng sau:
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3 ↓
Trong tự nhiên nước ngầm thường tồn tại ở nhiều dạng khác nhau :
Trường hợp 1: sắt hóa trị II bao gồm FeS, Fe(OH)2, FeCO3, Fe(HCO3)2
FeSO4, FeCl2….Chúng chủ yếu tồn tại ở dạng nước ngầm hay những nguồn
nước không tiếp xúc với oxy, dạng sắt (II) thường là dạng dễ tan trong nước,
có mùi tanh rất khó chịu. Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến tình trạng nước nhiễm
phèn này là do mạch nước chảy qua những khu vực có chứa mỏ sắt hay chứa
nhiều muối sắt tạo nên nước phèn (Bộ y tế, 2009)[4].
Trường hợp thứ 2: trường hợp sắt hoá trị III gồm: Fe(OH)3, FeCl3,
Fe(SO4)3…..Dạng sắt (III) chủ yếu tồn tại ở dạng nước mặt (sông, suối, ao, hồ..)
trong các hợp chất của sắt III thì Fe(OH)3 là chất keo tụ, dễ dàng lắng đọng
hoàn toàn bể lắng và bể lọc, ngoài ra nó còn là chất keo lơ lửng có thể hấp thụ
các chất bẩn trong nước. Chính vì vậy mà khi ta bơm nguồn nước ngầm lên ban
đầu thấy nước rất trong nhưng sau đó để cho nước tiếp xúc với không khí (phơi
nhiễm) thì nước lại bị đục lại, có mùi tanh đặc trưng và chất đục (cặn sắt đã bị
oxi hóa) dễ dàng lắng xuống đáy bể chứa. Điều này là do Fe2+ trong nước bị

sản xuất, làm vàng quần áo khi giặt, làm hư hỏng các sản phẩm của ngành dệt
may, giấy , phim ảnh, đồ hộp và làm giảm tiết diện vận chuyển nước của đường


12

ống vì cùng với nước cứng sắt có một hợp chất không tan sẽ đóng cặn lên bên
trong đường ống. Trong nồi hơi nếu hàm lượng sắt quá lớn cũng có thể gây
nhiều rắc rối hoặc gây nổ nồi ( Đặng Kim Chi, 2005)[5].
Trong thực tế nước thải cũng như nước sinh hoạt thì hàm lượng sắt cao sẽ
gây ảnh hưởng không tốt đến quá trình xử lý mà nhất là quá trình xử lý sinh
học vì bản thân sắt cũng là một kim loại nặng ức chế hoạt động của một số sinh
vật. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng nước ra và hiệu quả xử lý. Vì thế mà
trong xử lý nước sinh hoạt mà nguồn nước lấy từ nước ngầm thì bao giờ quá
trình đầu tiên cũng là đuổi khí và khử sắt.
Sắt là một yếu tố thiết yếu trong chế độ dinh dưỡng của con người. Mỗi
người có khả năng hấp thụ sắt khác nhau thông qua chế độ ăn uống. Hiện tại
chưa có bằng chứng của ngộ độc sắt do chế độ ăn uống. Nhưng khi hàm lượng
sắt trong nước ăn uống, sinh hoạt cao sẽ làm cho nước có vị tanh, màu vàng,
độ đục và độ màu tăng nên khó sử dụng. Đồng thời khi hàm lượng sắt cao cũng
thúc đẩy sự phát triển của "vi khuẩn sắt" (là các vi sinh vật sống nhờ lấy năng
lượng từ quá trình oxy hóa Fe (II) thành Fe (III) trong quá trình khử sắt) và tạo
thành một lớp nhầy nhụa trong các đường ống phân phối nước và các thiết bị
trữ nước. Những vấn đề trên thường xuất hiện khi hàm lượng sắt trong nước
vượt quá 0,3 mg/l ( Lê Huy Bá, 2009) [2].
1.2.4. Tiêu chuẩn cho phép đối với Sắt trong nước ăn uống, sinh hoạt
Theo QCVN 02:2009/BYT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng
nước sinh hoạt, Hàm lượng sắt tối đa trong nước không được vượt quá 0,5 mg/l.
Theo QCVN 01:2009/BYT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng
nước ăn uống, hàm lượng sắt tối đa trong nước ăn uống không được vượt quá



14

1.3.2. Phương pháp khử sắt bằng quá trình ôxy hoá
Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc
Nước cần khử sắt được làm thoáng bằng 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 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 bậc hay nhiều
bậc với các sàn rải xỉ hoặc tre gỗ. Lưu lượng tưới và chiều cao thấp cũng lấy
như trường hợp trên. Lượng ôxy hoà tan sau làm thoáng bằng 55% lượng ôxy
hoà tan bão hoà. Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 50% ( Đặng Kim Chi,
2005) [5].
Làm thoáng cưỡng bức
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 6 m3 cho 1m3 nước. Lượng ôxy
hoà tan sau làm thoáng bằng 70% hàm lượng ôxy hoà tan bão hoà. Hàm lượng
CO2 sau làm thoáng giảm 75%.
1.3.3. 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 được
màng hữu cơ bảo 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 (Trần Văn Quy, 2010)[19].