ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP FENTON – OXY HÓA BẬC CAO TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

    Bên cạnh các phương pháp xử lý nước thải bằng các phương pháp như hấp thụ, hấp phụ, sinh học,… thì xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao là phương pháp hiện đại nhưng mang lại nhiều lợi ích với chi phí vận hành đơn giản mang lại hiệu quả xử lý nước thải cao được ứng dụng trong nhiều loại nước thải để xử lý ô nhiễm.  

    Phương pháp hấp phụ kết hợp và oxi hóa bậc cao – phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao đang thu hút sự quan tâm của các doanh nghiệp về việc xử lý hợp chất hữu cơ độc hại, cũng như là một trong những hướng nghiên cứu mới đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm.

    Trong bài viết này, hãy cùng Hoà Bình Xanh tìm hiểu rõ hơn tổng quan về phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao cũng với một số ứng dụng phổ biến của phương pháp này hiện nay.

Tổng quan về phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao

Phương pháp oxy hóa bậc cao (AOPs – Advanced Oxidation Processes)

– Các quá trình oxy hóa bậc cao được định nghĩa là những quá trình phân hủy oxy hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl *OH được tạo ra ngay trong quá trình xử lý với thời gian rất ngắn. Gốc hydroxyl được đánh giá là tác nhân oxy hóa được biết đến có khả năng oxy hóa mọi hợp chất hữu cơ, dù là loại chất khó phân hủy, biến chúng thành những hợp chất vô cơ (khoáng hóa) không độc hại như CO₂, H₂O hay dễ phân hủy hơn như các acid hữu cơ mạch ngắn, các acid vô cơ,…

– Công nghệ này thường được áp dụng trong xử lý nước thải có nồng độ COD lớn và độ màu cao. Điều kiện để xảy ra phản ứng oxy hóa bậc cao là phải có chất trung gian có hoạt tính cao. Quá trình Fenton – Oxy hóa bậc cao có thể được sử dụng tại bước xử lý bậc cao để loại bỏ COD và độ màu còn lại hoặc được sử dụng tại bước xử lý hóa học đầu tiên (trước khâu xử lý sinh học) nhằm nâng tỉ lệ BOD/COD.

• Phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao
• Oxy hóa điện hóa (EOP – electrochemical oxidation process)
• Phản ứng peroxon
• Quang xúc tác

Phương pháp Fenton

– Phản ứng Fenton – Oxy hóa bậc cao là một phản ứng oxy hóa hóa học sử dụng hydro peroxide (H₂O₂) và ion sắt (II) (Fe²⁺) làm tác nhân oxy hóa để tạo ra gốc hydroxyl (*OH). Nghiên cứu cho thấy quá trình Fenton – Oxy hóa bậc cao bao gồm hơn 20 phản ứng hóa học và phản ứng tổng quan cốt lõi được thể hiện qua phương trình:

  Fe²⁺ + H₂O₂ + H⁺ ⇒ Fe³⁺ + OH^– + OH^.

– Gốc hydroxyl có tính oxi hóa cao được hình thành từ phản ứng của H₂O₂ với Fe²⁺ dưới tác dụng của axit mạnh có thể nhanh chóng phá hủy cấu trúc hầu hết các loại chất ô nhiễm hữu cơ thành carbon dioxide và nước. Dựa trên nguyên tắc này, quá trình Fenton được  sử dụng rộng rãi trong xử lý các loại nước thải hữu cơ.

– Nhược điểm: việc oxy hóa có thể dẫn tới khoáng hóa hoàn toàn các chất hữu cơ thành CO₂, nước, các ion vô cơ và do vậy phải sử dụng nhiều hóa chất sau xử lý này làm cho chi phí xử lý cao.

⇒ Chính vì vậy, nên áp dụng phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao để phân huỷ từng phần. Vừa chuyển hoá chất khó phân huỷ sinh học thành chất có khả năng phân huỷ sinh học rồi tiếp tục quá trình xử lý tiếp theo.

Các giai đoạn xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton – Oxy hóa bâc cao

Quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao xảy ra trong 4 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Điều chỉnh độ pH phù hợp

– Độ pH ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và nồng độ Fe²⁺. Do đó sẽ ảnh hưởng đến tốc tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ. Độ pH thích hợp cho quá trình Fenton là từ 2 – 4, tối ưu là mức 2,8.

– Đã có nhiều nghiên cứu nhằm giảm thiểu khó khăn khi đưa pH về mức thấp. Sau đó pH lại được nâng lên mức trung tính để tách khử Fe, H₂O₂ dư. Tuy nhiên nếu dùng các chất xúc tác như: quặng sắt Goethite, cát có chứa sắt, Fe/TiO₂, Fe/than hoạt tính, … thì quá trình này được gọi là Fenton dị thể. Độ pH phù hợp cho trường hợp này là từ khoảng từ 5 – 9.

Giai đoạn 2: Phản ứng oxi hóa

– Giai đoạn này sẽ xảy ra sự hình thành gốc *OH hoạt tính và phản ứng oxy hoá hữu cơ. Hiện nay cơ chế hình thành gốc *OH chưa được thống nhất. Theo Fenton sẽ có phản ứng như sau:

Fe²⁺ + H₂O₂ ⇒ Fe³⁺ +*OH + OH–

– Gốc *OH sau khi hình thành sẽ tham gia vào phản ứng oxi hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước thải.  Chúng sẽ chuyển chất hữu cơ từ dạng phân tử cao thành các chất hữu cơ phân tử thấp.

CHC (cao phân tử) + *HO ⇒ CHC (thấp phân tử) + CO₂ + H₂O + OH-

Giai đoạn 3: Trung hòa, keo tụ, đông tụ

– Sau khi xảy ra quá trình oxy hoá thì chúng ta cần nâng độ pH >7. Để thực hiện việc kết tủa Fe³⁺ hình thành.

Fe³⁺   +  3OH– —>  Fe(OH)₃.

– Kết tủa Fe(OH)₃ mới hình thành sẽ thực hiện các cơ chế keo tụ, đông tụ và hấp phụ một phần các chất hữu cơ cao phân tử.

Giai đoạn 4: Quá trình lắng

– Đây là giai đoạn cuối của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao. Các bông keo sau khi hình thành sẽ được lắng xuống. Điều này giúp làm giảm màu, mùi, COD trong nước thải. Sau quá trình lắng các chất hữu cơ (nếu có) còn đọng lại trong nước thải thì cũng có khối lượng phân tử thấp. Chúng sẽ được xử lý bổ sung bằng các phương pháp sinh học khác.

Những yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Fenton – Oxy hóa bậc cao

Nồng độ sắt

– Nếu không có sắt, gốc hydroxyl sẽ không được hình thành. Nồng độ tối ưu của sắt tùy thuộc vào từng loại nước thải.  Nếu không có sắt, sẽ không có sự hình thành gốc hydroxyl.

– Khi nồng độ sắt tăng, sự loại trừ phenol tăng đến điểm mà tại đó, nếu có thêm sắt vào nữa thì hiệu quả cũng không tăng. Khoảng liều lượng tối ưu cho xúc tác sắt thay đổi tùy theo loại nước thải và  đặc trưng của phản ứng Fenton – Oxy hóa bậc cao. Liều lượng sắt có thể diễn tả dưới dạng liều lượng H₂O₂. Khoảng điển hình là 1 phần Fe trên 1-10 phần H₂O₂.

Dạng sắt

– Thông thường hay sử dụng muối Fe²⁺ hay Fe³⁺ để làm chất xúc tác. Tuy nhiên, nếu lượng hệ chất Fenton thấp (dưới 10-25 mg/l H₂O₂) thì muối Fe²⁺ đem lại hiệu quả cao hơn. Mặt khác, muối sắt chloride hay sulfat đều có thể được sử dụng.

– Nồng độ H₂O₂: Các gốc hydroxyl oxy hóa chất hữu cơ mà không phân biệt. Trong mỗi quá trình chuyển đổi trong chuỗi phản ứng này đều có tốc độ khác nhau. Khi liều lượng H₂O₂ bắt đầu tăng dần, sự khử COD có thể xảy ra với ít hoặc không có sự thay đổi độc tính cho đến khi đạt một ngưỡng mà trên ngưỡng đó, việc thêm H₂O₂ sẽ làm giảm nhanh chóng độc tính nước thải.

Nhiệt độ

– Hầu hết các ứng dụng của phản ứng Fenton – Oxy hóa bậc cao xảy ra ở nhiệt độ 20-40⁰C. Tốc độ phản ứng Fenton tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ, nhất là khi nhiệt độ nhỏ hơn 20⁰C. Khi nhiệt độ lớn trên khoảng 40-50⁰C, hiệu suất sử dụng của H₂O₂ giảm do sự phân hủy H₂O₂ tăng. Điều hòa nhiệt độ quan trọng còn bởi lý do an toàn.

pH

– pH tối ưu của phản ứng Fenton – Oxy hóa bậc cao trong khoảng 3-6 (tốt nhất là 4-4,5). Khi pH>6 thì hiệu quả xử lý giảm do  sự chuyển đổi của sắt từ ion sắt II thành dạng keo hydroxit sắt III. Khi pH nhỏ hơn 3, hiệu suất phản ứng cũng sụt giảm nhưng đỡ hơn.

Thời gian phản ứng

– Thời gian cần thiết để hoàn thành một phản ứng Fenton – Oxy hóa bậc cao phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đáng chú ý nhất là liều lượng xúc tác và nồng độ  ô nhiễm của nước thải. Đối với sự oxy hóa phenol đơn giản (<250 mg/l), thời gian phản ứng điển hình là 30-60 phút.

– Đối với nguồn nước đậm đặc hơn, phản ứng có thể mất vài giờ. Trong trường hợp này, thực hiện phản ứng theo từng bậc (nhiều bước), thêm cả vừa sắt và H₂O₂ sẽ hiệu quả hơn, an toàn hơn là cho tất cả hóa chất vào ngay từ đầu.

– Việc xác định điểm kết thúc phản ứng cũng khá khó khăn. Sự hiện diện của dư lượng H₂O₂ sẽ cản trở quá trình phân tích nước thải. Dư lượng H₂O₂ có thể bị khử bằng cách tăng pH đến 7-10, hoặc trung hòa với dung dịch bisulfite.

Ứng dụng phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao

– Khử mùi: oxy hóa H₂S, mercaptan, amine và aldehyde. H₂O₂ có thể đưa trực tiếp vào nước thải có mùi hoặc đưa vào tháp phun ướt để khử mùi từ dòng khí.

– Kiểm soát sự ăn mòn: phân hủy dư lượng chlorine và hợp chất lưu huỳnh (thiosulfates, sulfites và sulfides) tạo ra các axit ăn mòn khi ngưng tụ trong thiết bị và bị oxy hóa bởi không khí.

– Oxy hóa chất vô cơ: oxy hóa cyanide, NO_x, SO_x, nitrites, hydrazine, carbonyl sulfide, và các hợp chất lưu huỳnh (phần khử mùi).

– Oxy hóa chất hữu cơ: thủy phân formaldehyde, cacbon disulfide (CS₂), carbohydrat, photpho hữu cơ, các hợp chất nitơ, phenol, thuốc bảo vệ thực vật…

– Oxy hóa kim loại nặng: oxy hóa sắt II, mangan, arsenic, selenium,… để cải thiện khả năng hấp phụ , lọc hay kết tủa từ các quá trình xử lý nước và nước thải.

– Khử độc, cải thiện khả năng phân hủy sinh học: với xúc tác H₂O₂ phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành đơn giản hơn, ít độc hơn, dễ phân hủy sinh học hơn.

– Giải phóng các bọt khí nhỏ phân tán, nâng cao hiệu quả khử loại các váng dầu mỡ trong hệ thống tuyển nổi.

Ưu và nhược điểm phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao

• Ưu điểm

– Phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao có thể ứng dụng xử lý nhiều loại nước thải khác nhau, từ nước thải sinh hoạt đến nước thải công nghiệp.

– Hóa chất sử dụng phổ biến, dễ mua và tương đối rẻ tiền.

– Quá trình xử lý đơn giản, dễ thực hiện và kiểm soát.

• Nhược điểm

– Phạm vi pH xử lý hẹp.

– Chi phí và rủi ro cao liên quan đến việc xử lý, vận chuyển và bảo quản thuốc thử.

– Tạo lượng lớn bùn sắt thải.

Dịch vụ xử lý nước thải – Công ty TNHH Công nghệ môi trường Hòa Bình Xanh

    Bạn đang tìm kiếm một đơn vị chuyên nghiệp để xây dựng hệ thống xử lý nước thải, đặc biệt là ứng dụng phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao để xử lý? Bạn loay hoay vì chưa tìm thấy một nhà thầu uy tín? Đừng lo lắng, Hòa Bình Xanh sẽ cung cấp cho bạn dịch vụ chất lượng và chuyên nghiệp nhất. Chúng tôi cam kết mang đến sự hài lòng và an tâm cho dự án của bạn.

    Sự hiểu biết và tận tâm của đội ngũ là yếu tố quan trọng giúp chúng tôi đảm bảo hiệu quả và an toàn cho từng dự án. Công ty TNHH Công nghệ môi trường Hòa Bình Xanh với đội ngũ thạc sỹ, kỹ sư giàu kinh nghiệm đã đầu tư nghiên cứu, đánh giá kỹ lưỡng các công nghệ xử lý và tìm các phương án xử lý chất lượng tốt nhất, chi phí hợp lý và thời gian nhanh nhất.

    Quý doanh nghiệp có nhu cầu hợp tác công ty để xử lý nước thải hoặc quan tâm đến các hạng mục khác, hãy liên hệ với chúng tôi qua hotline 0943.466.579 hoặc liên hệ qua website:hoabinhxanh.vn để nhận được sự hỗ trợ nhanh nhất và tận tình nhất.