VẬN HÀNH HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÔNG NGHỆ FENTON

1. Quá trình Fenton trong xử lý nước thải là gì?

Quá trình sản xuất ngày một phát triển, kèm theo đó lượng nước thải sinh ra càng ngày càng nhiều, nồng độ các chất ô nhiễm ngày càng gia tăng. Việc ứng dụng ngày càng cao các công nghệ sản xuất mới, sử dụng các hóa chất mới có hiệu quả cao, đã làm nồng độ ô nhiễm trong nước thải phức tạp thêm, gia tăng các chất bẩn khó xử lý đặc biệt là các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học.

Các phương pháp xử lý nước thải phổ biến như hiện nay bao gồm xử lý hóa lý, xử lý sinh học…, có hiệu quả cao trong việc làm giảm nồng độ các chất bẩn như cặn lơ lửng, các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Tuy nhiên đối với các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học các các công nghệ trên chưa đảm bảo được hiệu quả xử lý.

Giải pháp oxy hóa các chất khó phân hủy sinh học được tính đến. Trong xử lý nước thải, nó được đặt tên là oxy hóa bậc cao (AOPs- Advanced Oxidation Processes). Giải pháp này đòi hỏi tạo ra một chất trung gian có hoạt tính cao, có khả năng oxy hóa hiệu quả các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, trong xử lý nước thải đó là các gốc hydroxyl tự do ( *OH).

Trong việc áp dụng giải pháp này (AOPs), quá trình Fenton và các quá trình kiểu Fentom (Fenton – like processes) được cho là giải pháp có hiệu quả cao. Công trình nghiên cứu này được J.H. Fenton công bố vào năm 1894 trong tạp chí hội hóa học ở Mỹ. Quá trình này dùng tác nhân là tổ hợp H₂O₂ và muối sắt Fe²⁺ làm tác nhân oxy hóa, thực tế đã chứng minh hiệu quả xử lý và kinh tế của phương pháp này khá cao. Nhược điểm của nó là, 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. Vì vậy, trong các trường hợp chỉ nên áp dụng quá trình Fenton để phân hủy từng phần, chuyển các chất khó phân hủy sinh học thành có khả năng phân hủy sinh học rồi tiếp tục dùng các quá trình xử lý sinh học tiếp sau.

2. Quá trình Fenton trong xử lý nước thải

Thông thường qui trình oxi hóa Fenton đồng thể gồm 4 giai đoạn:
- Điều chỉnh pH phù hợp: Trong các phản ứng Fenton, độ pH ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng và nồng độ Fe²⁺, từ đó ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ, pH thích hợp cho quá trình là từ 2 – 4, tối ưu nhất là ở mức 2,8. Đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm giảm thiểu khó khăn khi đưa pH về mức thấp rồi sau đó lại nâng pH lên mức trung tính để tách khử Fe, H₂O₂ dư. Nếu ta dùng các chất xúc tác khác như quặng sắt Goethite (a-FeOOH), cát có chứa sắt, hoặc sắt trên chất mang Fe/SiO₂, Fe/TiO₂, Fe/than hoạt tính, Fe/Zeolit… thì quá trình này gọi là Fenton dị thể, pH thích hợp ở trường hợp này theo nghiên cứu cao hơn đồng thể, khoảng từ 5 – 9.

- Phản ứng oxi hóa: Trong giai đoạn phản ứng oxi hóa xảy ra sự hình thành gốc *OH hoạt tính và phản ứng oxi hóa chất hữu cơ. Cơ chế hình thành gốc *OH hiện nay chưa thống nhất, theo Fenton thì sẻ có phản ứng: Fe²⁺ + H₂O₂ ----> Fe³⁺ + ^*OH + OH^–.Gốc *OH sau khi hình thành sẽ tham gia vào phản ứng ôxi hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước cần xử lý, chuyển chất hữu cơ từ dạng cao phân thành các chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp. CHC _{(cao phân tử)} + ^*HO _{------> CHC (thấp phân tử)} + CO₂ + H₂O + OH^-

- Trung hòa và keo tụ: Sau khi xảy ra quá trình oxi hóa cần nâng pH dung dịch lên >7 để thực hiện kết tủa Fe³⁺ mới 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, hấp phụ một phần các chất hữu cơ chủ yếu là các chất hữu cơ cao phân tử

- Quá trình lắng: Các bông keo sau khi hình thành sẽ lắng xuống khiến làm giảm COD, màu, mùi trong nước thải. Sau quá trình lắng các chất hữu cơ còn lại (nếu có) trong nước thải chủ yếu là các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp sẽ được xử lý bổ sung bằng phương pháp sinh học hoặc bằng các phương pháp khác.

3. Ứng dụng quá trình Fenton trong xử lý nước thải

Ứng dụng quá trình Fenton trong xử lý nước thải được áp dụng đối với nước thải độc hại chứa nhiều chất độc, chất hữu cơ khó phân hủy như nước rỉ rác từ bãi chôn lấp rác, nước thải bề mặt nhiễm thuốc trừ sâu, nước thải dệt nhuộm.

a) Ứng dụng quá trình Fenton 2 bậc trong xử lý nước thải rỉ rác từ bãi chôn lấp rác

Nước thải rỉ rác từ bãi chôn lấp rác có thành phần ô nhiễm nặng, lượng BOD, COD, Nitơ cao, ngoài ra còn nhiều chất độc hại, khó phân hủy sinh học sinh ra từ rác thải. Phương pháp xử lý sinh học có thể loại trừ các thành phần hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học, nhưng không thể xử lý xử lý được lượng lớn các chất khó phân hủy sinh học. Phản ứng Fenton có khả năng phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ trong các loại nước rác khó xử lý. Nó có thể tiến hành ở nhiệt độ bình thường và không có yêu cầu nào về ánh sáng.

Công nghệ Fenton được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống xử lý nước rỉ rác hiện nay

b) Ứng dụng quá trình Fenton trong xử lý nước thải dệt nhuộm

Nước thải dệt nhuộm là loại nước thải khó xử lý, nhiệt độ cao, lượng BOD lớn, đặc biệt là COD (lượng chất hữu cơ khó phân hủy sinh học cao) và độ màu, do sử dụng các loại phẩm nhuộm trong quá trình sản xuất. Có rất nhiều cách để xử lý nước thải dệt nhuộm ví dụ như đông tụ, keo tụ, lọc màng hay hấp phụ bằng than hoạt tính tuy nhiên trong nhiều trường hợp, các chất độc hại, chỉ chuyển từ dạng ô nhiễm này sang dạng ô nhiễm khác, không được xử lý triệt để.

Quá trình Fenton là phương pháp oxy hóa các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học đã được nghiên cứu trong trường hợp này. Phương pháp Fenton là một công cụ khử màu hiệu quả. Phương pháp Fenton cổ điển cho kết quả rất nhanh với khử màu, vừa phải với COD nhưng rất chậm với khử TOC và khử độc trong nước thải dệt nhuộm. Hiện nay người ta đã nâng cao hiệu quả của phương pháp bằng nhiều cách: H₂O₂/than đá, H₂O₂ và xúc tác cùng với kim loại chuyển tiếp, phương pháp Fenton có vòng chelat trung gian và Cu(II)/ axit hữu cơ/H₂O₂. Trong suốt quá trình xử lý bằng photo-Fenton chúng ta chỉ có thể quan sát được sự biến đổi màu chứ không nhìn thấy sự phân hủy sinh học. Chúng ta có thể kết hợp giữa phương pháp oxy hóa bằng Fenton với xử lý sinh học để khử triệt để màu và COD trong nước thải công nghiệp dệt.

Phương pháp Fenton có thể xử lý axit blue 74 (nhóm thuốc nhuộm indigoid), axit orange 10 (hợp chất màu azo) và axit violet 19 (thuốc nhuộm triarylmethane). Quá trình khử màu diễn ra trong suốt quá trình oxy hóa. Chỉ với tỉ lệ khối lượng thuốc nhuộm:H₂O₂ là 1:0,5 mà sự khử màu có thể lên đến 96,95 và 99 đối với axit blue 74, axit orange 10 và axit violet 19. Sự loại màu thì dễ dàng hơn so với sự khử COD.

c) Ứng dụng quá trình Fenton xử lý nước bề mặt nhiễm thuốc trừ sâu

Loại thuốc trừ sâu trong nước bề mặt mà Fenton có thể xử lý được chia thành 3 nhóm: MCPA, mecoprop và 2,4D. Một loạt các thử nghiệm đã diễn ra trong phòng thí nghiệm để xác định điều kiện tối ưu của phản ứng: liều lượng, pH và thời gian phản ứng với nước thô có nồng độ thuốc trừ sâu là 1.5 microgam/l. Phương pháp Fenton đã xử lý rất thành công atrazine, 2,4- D và alachlor. Điều kiện tối ưu để xảy ra phản ứng là pH = 3 và tỉ lệ thuốc trừ sâu : Fe(II) : H₂O₂ từ 1: 10: 10 đến 1:10:1000.

Ảnh hưởng của Fenton đến chất lượng nước đã được thể hiện trên đồ thị dưới đây. Ảnh hưởng của pH đối với sự chuyển hóa DOC là hoàn toàn dễ dàng ở pH=3 có 85% chuyển hóa cho đến pH=7 là 8%.

Biểu đồ phần trăm phân hủy DOC ở pH = 3, 5 và 7

Tóm lại: trong quá trình xử lý bằng Fenton, tỉ lệ thuốc trừ sâu:Fe(II):H₂O₂ là rất quan trọng. Khi tăng hàm lượng Fe(II) lên 10 lần thì sẽ làm tăng tốc độ phản ứng và kết thúc sự chuyển hóa thuốc trừ sâu chỉ trong 5 phút. Sự chuyển hóa thuốc trừ sâu trong nước bề mặt còn phụ thuộc vào pH (pH=3 và pH=7). Ở pH=7 chuyển hóa được 16% mecoprop và 34% MCPA. Sự chuyển hóa DOC cao hơn ở pH thấp, từ 50-87%.

4/ Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Fenton

Trong quá trình hoạt động, phản ứng fenton phải chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Dưới đây là một số yếu tố ảnh hưởng mà bạn không nên bỏ qua.

Việc thêm sắt vào môi trường nước thải có ảnh hưởng lớn đến quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong đó. Điều này được giải thích bởi sự hình thành gốc hydroxyl – một chất có tính oxy hóa cao – được tạo ra từ sự phối hợp giữa sắt và hydrogen peroxide (H2O2). Tuy nhiên, nồng độ sắt không phải là càng nhiều thì càng tốt. Khi nồng độ sắt trong bển fenton tăng lên, sự phân hủy các chất hữu cơ cũng tăng đáng kể. Tuy nhiên, sau một ngưỡng nào đó, hiệu quả của quá trình phân hủy không tăng thêm. Việc lựa chọn liều lượng tối ưu của xúc tác sắt là rất quan trọng và phải được thực hiện dựa trên đặc tính của nước thải và phản ứng Fenton. Thông thường, liều lượng sắt được đo bằng tỷ lệ phần trăm với hydrogen peroxide, và tỷ lệ này thường dao động từ 1 phần sắt trên 1-10 phần H2O2.
Có thể sử dụng các muối Fe2+ hoặc Fe3+ để xúc tác phản ứng trong hầu hết các ứng dụng. Tuy nhiên, việc sử dụng sắt II được ưa chuộng hơn nếu lượng hệ chất Fenton thấp. Các muối sắt chloride hoặc sulfat cũng có thể được sử dụng. Việc tái tuần hoàn sắt sau phản ứng có thể được thực hiện bằng cách tăng pH, tách riêng các bông sắt và tái axit hóa bùn sắt. Nếu lượng H2O2 nhiều, phản ứng sẽ bắt đầu xúc tác nhanh chóng.
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng Fenton. Với nhiệt độ bể phản ứng fenton thấp hơn 200°C, tốc độ phản ứng sẽ tăng, nhưng khi nhiệt độ vượt quá 400-500°C, hiệu suất sử dụng của H2O2 sẽ giảm do sự phân hủy tăng. Việc thêm H2O2 vào phản ứng cần được thực hiện tuần tự có kiểm soát để điều chỉnh sự gia tăng nhiệt độ, đồng thời cần điều hòa nhiệt độ để đảm bảo an toàn.

pH cũng là yếu tố ảnh hưởng quan trọng. pH tối ưu cho phản ứng Fenton nằm trong khoảng 3-6, và sự giảm pH được thực hiện tuần tự thông qua thêm xúc tác FeSO4 và H2O2. Nếu pH quá cao, hiệu suất phản ứng sẽ giảm do sắt chuyển đổi thành dạng keo hydroxit, trong khi pH quá thấp sẽ làm giảm hiệu suất phản ứng nhưng đỡ hơn so với pH cao. Việc giảm pH được giám sát cẩn thận để đảm bảo phản ứng diễn ra theo đúng tiến độ.
Thời gian phản ứng trong phương pháp Fenton phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó liều lượng xúc tác và mức độ ô nhiễm của nước thải là hai yếu tố quan trọng nhất. Đối với việc oxy hóa phenol đơn giản, thời gian phản ứng thường nằm trong khoảng 30-60 phút. Tuy nhiên, đối với các dòng nước thải phức tạp hoặc đậm đặc hơn, quá trình phản ứng có thể kéo dài trong vài giờ. Trong trường hợp này, phương pháp phản ứng theo từng bậc, tức là thực hiện từng bước với sự thêm vào vừa đủ lượng sắt và H2O2, sẽ là phương pháp hiệu quả và an toàn hơn so với việc đổ tất cả các hóa chất vào cùng một lúc.

Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp Fenton cần phải cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo tính hiệu quả và an toàn cho môi trường và con người. Việc áp dụng phương pháp này cần phải tuân thủ các quy định và hướng dẫn của các cơ quan quản lý môi trường để đảm bảo việc xử lý ô nhiễm được thực hiện một cách đúng đắn và an toàn. Chính vì thế, để nâng cao hiệu quả cũng như trách các vi phạm không đáng có khi sử dụng công nghệ Fenton trong xử lý nước thải, bạn cần có sự tư vấn từ những đơn vị chuyên môn như Công ty TNHH Giải pháp Công nghệ Môi trường Phước Trình của chúng tôi. Liên hệ ngay: