ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP FENTON XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Ứng dụng công nghệ Fenton trong xử lý nước thải sẽ mang lại hiệu suất cao và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn tồn tại một số nhược điểm nhất định có thể làm ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình xử lý. Cùng Envico tìm hiểu nội dung sau đây để hiểu hơn về phương pháp này nhé ! 

Phương pháp oxy hóa bậc cao

Phương pháp oxy hóa bậc cao (AOP) là một nhóm các quá trình xử lý nước và khí thải bằng cách sử dụng các gốc hydroxyl (OH) để oxy hóa và phân hủy các chất ô nhiễm. Gốc hydroxyl là một chất oxy hóa mạnh có khả năng phá vỡ cấu trúc của các chất hữu cơ, biến chúng thành các chất đơn giản và an toàn hơn như CO2, H2O và các ion vô cơ.

Oxy hóa bậc cao được chia thành 4 phương pháp là phân hủy quang hóa, ozon, Fenton và điện hóa. 

• Phân hủy quang hóa: Sử dụng tia UV kết hợp với chất xúc tác như TiO2 để tạo ra gốc OH, hiệu quả cao trong xử lý các hợp chất hữu cơ có cấu trúc vòng benzen.
• Ozon: Ozon (O3) là một chất oxy hóa mạnh trực tiếp oxy hóa các chất hữu cơ, hiệu quả cao trong khử trùng và khử mùi.
• Fenton: Sử dụng H2O2 và Fe2+ để tạo ra gốc OH, xử lý các chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp
• Điện hóa: Dùng dòng điện để tạo ra gốc OH trên điện cực, xử lý các chất hữu cơ đơn giản.

Trong các phương pháp Envico vừa nêu trên thì Fenton phương pháp phổ biến và được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý nước thải. Mời bạn đọc cùng tham khảo chi tiết về phương pháp Fenton. 

Phương pháp Fenton

Phản ứng Fenton là một phản ứng oxy hóa hóa học sử dụng hydro peroxide (H2O2) và ion sắt (II) (Fe2+) để tạo ra gốc hydroxyl (OH). Cơ chế oxy hóa của quá trình Fenton đã được nghiên cứu trong hơn 100 năm. Nghiên cứu cho thấy quá trình Fenton 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.

Hình 1: Cơ chê phản ứng của quá trình fenton

Quy trình phương pháp Fenton xử lý nước thải

• Điều chỉnh độ pH:

pH là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton. Nhân tố này ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ hoạt động của ion Fe2+, quyết định hiệu quả oxy hóa và khử độc các chất ô nhiễm.

Đối với phản ứng Fenton đồng thể, mức pH lý tưởng dao động từ 2 đến 4, và mức tối ưu là  pH=2.8. Tuy nhiên, việc điều chỉnh pH từ mức thấp lên mức trung tính sau đó để loại bỏ Fe và H2O2 dư có thể gặp khó khăn, làm ảnh hưởng đến chi phí và thời gian xử lý.

Trong trường hợp sử dụng các chất xúc tác khác như quặng sắt Goethite hoặc các chất mang sắt, quá trình này được gọi là Fenton dị thể. Mức pH thích hợp ở quá trình này cao hơn, dao động từ 5 đến 9.

• Phản ứng oxi hóa:

Ở giai đoạn này, gốc *OH hoạt tính được hình thành và các chất hữu cơ được oxi hóa. Cơ chế hình thành gốc *OH vẫn đang được nghiên cứu, nhưng theo quá trình Fenton, phản ứng giữa Fe2+ và H2O2 được cho là nguyên nhân chính. Các gốc *OH này tấn công các hợp chất hữu cơ trong nước, phá vỡ cấu trúc phân tử và chuyển đổi chúng thành các chất có khối lượng phân tử thấp hơn, dễ dàng phân hủy sinh học. 

CHC (cao phân tử) +   *OH   ——>    CHC (thấp phân tử)    +  CO2 +  H2O  +   OH-

• Trung hòa và keo tụ

Sau giai đoạn oxi hóa, cần thực hiện trung hòa và keo tụ bằng cách nâng pH lên trên 7 để kết tủa Fe3+ thành Fe(OH)3. Kết tủa này sau đó tham gia vào các quá trình keo tụ, đông tụ và hấp phụ, tạo ra các bông keo từ các chất hữu cơ cao phân tử.

• Lắng

Trong giai đoạn cuối cùng của phương pháp Fenton, các bông keo sẽ lắng xuống và làm giảm đi lượng COD trong nước thải. Màu sắc và mùi của nước thải cũng được xử lý hoàn toàn. Các chất hữu cơ còn lại, chủ yếu là các hợp chất có khối lượng phân tử thấp, có thể được xử lý bổ sung bằng các phương pháp sinh học hoặc khác.

Hình 2: Quá trình phản ứng Fenton trong xử lý nước thải

Ưu nhược điểm của phương pháp Fenton trong xử lý nước thải

Ưu điểm

• Phương pháp Fenton 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.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phương pháp Fenton

Độ pH

• pH của dung dịch ảnh hưởng đến hoạt động của sắt và các phản ứng phân hủy.
• pH thích hợp cho quá trình Fenton thường dao động từ 2 đến 4. pH quá cao hoặc quá thấp đều có thể làm giảm hiệu suất phân hủy.
• Ngoài ra, pH còn liên quan đến quá trình tiến triển của phản ứng trong quá trình Fenton. Việc giám sát thường xuyên sự thay đổi pH rất quan trọng để đảm bảo phản ứng diễn ra đúng tiến độ. 
• Đối với những dòng nước thải có nồng độ COD cao (10g/lít), việc điều chỉnh lại pH sau mỗi giai đoạn là rất cần thiết để ngăn ngừa tình trạng pH thấp gây cản trở cho phản ứng Fenton.

Hình 3: Thang đo độ pH

Nồng độ ion sắt

• Nồng độ sắt ảnh hưởng trực tiếp đến số lượng gốc *OH được tạo ra, do sắt (Fe^2+) là xúc tác chính trong quá trình Fenton.
• Mức độ phân hủy của các chất hữu cơ thường tăng theo tỷ lệ với nồng độ sắt, nhưng ở một ngưỡng nhất định hiệu suất không tăng thêm mà có thể gây ra sự hình thành các chất béo có hại.

Các dạng ion sắt

Trong hầu hết các ứng dụng, cả muối Fe^2+ và Fe^3+ đều có thể được sử dụng làm xúc tác. Phản ứng bắt đầu nhanh chóng khi có lượng lớn H2O2. 

Tuy nhiên, khi lượng H2O2 trong hệ thấp (dưới 10-25 mg/l), các nghiên cứu đã chỉ ra rằng muối sắt II (Fe^2+) thường được ưa chuộng hơn trong phương pháp Fenton. Cả muối sắt chloride và sulfate đều có thể được sử dụng trong quá trình này. Ngoài ra, có khả năng tái tuần hoàn sắt sau phản ứng bằng cách tăng pH, tách riêng các hạt sắt và tái axit hóa bùn sắt.

Nồng độ hydrogen peroxide (H2O2)

• Nồng độ H2O2 ảnh hưởng trực tiếp đến lượng *OH được tạo ra, do H2O2 là nguồn cung cấp hydrogen cho quá trình tạo gốc *OH.
• Một lượng lớn H2O2 có thể tạo ra nhiều gốc *OH hơn, tăng hiệu suất phân hủy. Tuy nhiên, nồng độ quá cao có thể gây ra hiện tượng quá oxi hóa, tạo ra các chất phụ có thể gây hại cho môi trường.

Thành phần của chất ô nhiễm

• Các chất hữu cơ có tính chất khác nhau, từ đó ảnh hưởng đến khả năng oxi hóa và phân hủy trong quá trình Fenton.
• Các chất hữu cơ khó phân hủy hơn có thể đòi hỏi nồng độ sắt và H2O2 cao hơn để đạt được hiệu suất phân hủy mong muốn.

Nhiệt độ hoạt động

• Thông thường, nhiệt độ tăng cao thì sẽ thúc đẩy nhanh quá trình phản ứng. Tuy nhiên, cần phải chú ý đến việc duy trì nhiệt độ trong khoảng phù hợp để tránh sự phân huỷ không mong muốn của hydrogen peroxide.
• Khi nhiệt độ tăng lên, tốc độ phản ứng Fenton cũng sẽ tăng theo, đặc biệt là khi nhiệt độ dưới 200°C. Tuy nhiên, khi nhiệt độ cao hơn khoảng 40 – 500°C, hiệu suất sử dụng H2O2 sẽ giảm do sự phân hủy H2O2 tăng lên, tạo thành oxy và nước. 
• Thường thì, các ứng dụng của phản ứng Fenton diễn ra ở nhiệt độ từ 20-400°C. Khi xử lý chất thải ô nhiễm nặng, việc thêm H2O2 phải được thực hiện tuần tự và có kiểm soát để điều chỉnh sự gia tăng nhiệt độ, đặc biệt là khi lượng H2O2 lớn hơn 10-20g/lít. Điều này cũng rất quan trọng vì lý do an toàn.

Thời gian phản ứng

• Thời gian phản ứng quá ngắn có thể không đủ để đạt được hiệu suất phân hủy mong muốn trong phương pháp Fenton, trong khi thời gian quá dài có thể gây ra sự phân hủy không mong muốn của hydrogen peroxide.
• Đối với việc oxy hóa phenol đơn giản ở nồng độ 250 mgl, thời gian phản ứng thông thường là từ 30 đến 60 phút. Tuy nhiên, đối với các loại nước thải phức tạp hoặc đậm đặc hơn, thời gian phản ứng có thể kéo dài vài giờ.

Ứng dụng phương pháp Fenton trong xử lý nước thải ô nhiễm

• Xử lý nước thải công nghiệp:

• • Quá trình Fenton và các biến thể của nó được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là trong việc loại bỏ các chất hữu cơ độc hại như phenol, dioxin, PCBs … 
  • Sự linh hoạt của quá trình Fenton được áp dụng cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau như công nghiệp hóa chất, công nghiệp dệt may, và công nghiệp sản xuất giấy.

Hình 4: Ứng dụng phương pháp Fenton xử lý nước thải công nghiệp

• Xử lý nước thải sinh hoạt:

• • • Phương pháp Fenton cũng có thể được áp dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt để loại bỏ các chất hữu cơ độc hại và vi khuẩn gây bệnh.
    • Ở các khu vực nông thôn hoặc cơ sở hạ tầng cơ bản, việc áp dụng quá trình Fenton có thể giúp cải thiện chất lượng nước thải và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

• Xử lý nước thải từ các nguồn ô nhiễm đặc biệt:

• • • Phản ứng Fenton có thể được áp dụng trong xử lý nước thải từ các nguồn ô nhiễm đặc biệt như nước thải từ bệnh viện, nhà máy sản xuất hóa chất, và các khu vực ô nhiễm nặng.
    • Việc áp dụng quá trình Fenton cùng với các biến thể như Fenton mở rộng và Fenton dị thể có thể tăng cường hiệu suất loại bỏ các chất độc hại từ các nguồn ô nhiễm này.

• Xử lý nước thải có chứa kim loại nặng:

• • Quá trình Fenton cũng được sử dụng để loại bỏ kim loại nặng từ nước thải, như cadmium, chì, thủy ngân và asen.
  • Sự phát triển của các biến thể như Fenton dị thể có thể tăng khả năng hấp phụ và loại bỏ kim loại nặng từ nước thải một cách hiệu quả hơn.

Tóm lại, quy trình Fenton là một phương pháp xử lý nước thải tiên tiến sử dụng phản ứng oxi hóa mạnh để phá hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Quy trình này có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp xử lý thông thường, nhưng vẫn còn một số hạn chế nhất định. Evico hy vọng những thông tin trên đã cung cấp những thông tin hữu ích cho quý bạn đọc, cảm ơn bạn đã theo dõi bài viết !

CÔNG TY CỔ PHẦN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG ENVICO

Địa chỉ: Lầu 3, Indochina Tower, 4 Nguyễn Đình Chiểu, P. ĐaKao, Quận 1, Tp. HCM

Hotline: 0909 794 445 (Mr.Huy)

Điện thoại: (028) 66 797 205

E-mail: admin@envico.vn

Website: Congnghemoitruong.net 

Fanpage : Công nghệ môi trường Envico