Xử lý nước thải bằng fenton: quy trình và yếu tố ảnh hưởng

Xử lý nước thải bằng Fenton - oxy bậc cao là gì?

Phương pháp oxy hóa bậc cao là gì?

Phương pháp oxy hóa bậc cao hay còn gọi là quá trình oxy hóa nâng cao. Đây là những quá trình phân huỷ oxy hoá dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl *OH được tạo ra trong quá trình xử lý với thời gian ngắn.

Gốc hydroxyl được đánh giá là tác nhân oxy hóa. Chúng có khả năng oxy hoá không cần lựa chọn mọi chất hữu cơ. Dù đó là chất khó phân huỷ. Từ đó, biến chúng thành các hợp chất vô cơ, các acid vô cơ, acid hữu cơ mạch ngắn, hoặc chất không độc hại..

Công nghệ xử lý nước thải bằng oxy hóa bậc cao thường được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải có nồng độ COD lớn. Điều kiện để xảy ra phản ứng oxy hóa bậc cao là phải có chất trung gian có hoạt tính cao.

Phương pháp Fenton

Đây là phương pháp sử dụng tổ hợp H₂O₂ và muối sắt Fe²⁺ làm tác nhân cho quá trình oxy hóa diễn ra. 

Phương pháp này có khả năng xử lý các chất hữu cơ vô cùng mạnh mẽ. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là có thể dẫn tới khoáng hoá hoàn toàn chất hữu cơ thành CO₂ và nước. Do đó, cần sử dụng thêm hoá chất để xử lý sản phẩm được sinh ra sau phản ứng Fenton.

Chính vì vậy, nên áp dụng phương pháp Fenton 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.

Quy trình xử lý nước thải công nghệ Fenton

Quá trình Fenton diễn ra như sau:

Điều chỉnh nồng độ pH cho phù hợp

Độ PH trong ảnh hưởng cực lớn đến tốc độ phản ứng và nồng độ Fe₂ trong đó. Vì vậy, yếu tố này tác động trực tiếp đến quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong nước thải.

Theo các chuyên gia, nồng độ pH thích hợp nhất để phản ứng fenton diễn ra là từ 2 - 4 độ. Tuy nhiên, tối ưu nhất là ở mức 2,8 độ.

Phản ứng oxy hoá

Trong giai đoạn phản ứng oxi hoá diễn ra sẽ hình thành các gốc OH hoạt tính và phản ứng oxi hóa chất hữu cơ.

Cơ chế hình thành gốc OH hiện nay có sự thống nhất. Theo đó sẽ hình thành phản ứng như sau:

Fe²⁺ + H₂O₂        —-->   Fe³⁺  + OH^– + OH *

Gốc *OH sẽ tham gia vào phản ứng oxi hoá các hợp chất hữu cơ. Từ đó, chuyển chất hữu cơ từ dạng cao thành các chất hữu cơ phân tử thấp. Phản ứng như sau:

CHC (cao phân tử)  + *HO   ——>    CHC (thấp phân tử)     +  CO₂  + H₂O    +  OH^–

Trung hoà và keo tụ

Sau khi phản ứng oxi hoá diễn ra, cần phải nâng nồng độ PH trong bể lên mức lớn hơn 7 để thực hiện quá trình kết tủa  Fe3+  vừa mới hình thành trong phản ứng.

Phương trình hoá học như sau:

Fe³⁺   +  3OH^– —-->  Fe(OH)₃.

Lúc này, kết tủa Fe(OH)₃ sẽ thực hiện theo cơ chế keo tụ, đông tụ. Đồng thời, hấp phụ một phần chất hữu cơ cao phân tử.

Những yếu tố ảnh hưởng

• Nồng độ sắt: Không có sắt sẽ không thể diễn ra sự hình thành của các gốc hydroxyl. Nếu nồng độ sắt tăng, sự loại trừ của phenol có thể tăng đến điểm nhất định. Tại đó, dù có cho thêm sắt cũng không tăng hiệu quả nữa.

• Dạng sắt: Hầu hết các ứng dụng Fe²⁺ hay Fe³⁺ đều có thể sử dụng xúc tác phản ứng. Hàm lượng H₂O₂ càng nhiều, phản ứng càng nhanh. Tuy nhiên, nếu lượng hệ chất Fenton thấp thì Fe²⁺ được ưa chuộng hơn. Muối sắt, hay sulfat đều có thể sử dụng được.
• Nồng độ H₂O₂: Cần có đủ lượng H₂O₂ để đẩy phản ứng lên đến điểm nhất định. Từ đó, giúp làm giảm nhanh độc tính trong nước thải.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ gia tăng thì tốc độ phản ứng Fenton cũng phát triển theo tỷ lệ thuận. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ trên 40 - 500°C thì sẽ diễn ra quá trình phân huỷ H₂O₂ nên hiệu quả sử dụng chất này bị suy giảm. Các phản ứng Fenton hiện nay đều xảy ra ở nhiệt độ lý tưởng là 20 - 400°C.
• Độ pH: Trong môi trường axit, quá trình khử Fe³⁺ thành Fe²⁺ trở lên dễ dàng hơn. Từ đó, tạo điều kiện để hình thành gốc hydroxyl OH*. Nếu pH cao thì Fe³⁺ thành Fe(OH)₃ Vì vậy, làm giảm quá trình tạo ra Fe²⁺. Độ pH thích hợp nhất cho phản ứng fenton là <4.
• Các amoni vô cơ: Các amoni vô cơ như ion cacbonat (CO₃^2-), bicacbonat (HCO^3–), clorua sẽ làm hao hụt lượng hydroxyl HO*. Từ đó, giảm hiệu quả diễn ra phản ứng oxy hoá.

Ứng dụng của phương pháp

• Khử mùi: Phản ứng Fenton có hiệu quá tốt trong việc khử mùi nước thải thông qua quá trình oxy hóa H₂S, aldehyde, amine, mercaptan.
• Kiểm soát sự ăn mòn: Phương pháp này có thể phân huỷ được cả chlorine và hợp chất lưu huỳnh - các axit ăn mòn thường xuất hiện khi ngưng tụ trong thiết bị và bị oxy hoá bởi không khí.
• Khử BOD, COD, kể cả các chất có nồng độ cao, khó phân huỷ.
• Oxy hoá chất vô cơ, hữu cơ, kim loại.
• Khử trùng, loại bỏ độc tố trong nước. Nâng cao khả năng phân huỷ sinh học của nước thải. Biến chất hữu cơ phức tạp thành chất đơn giản, dễ phân huỷ hơn.
• Giải phóng các bọt khí nhỏ đang phân tán trong nước.Xử lý hiệu quả cả váng dầu ở các bể tuyển nổi.
• Cung cấp nguồn DO tại chỗ cho phản ứng sinh học diễn ra. Nâng cao hiệu quả đốt cháy và làm giảm nhiệt độ vận hành trong các lò đốt.
• Ngoài ra, phương pháp Fenton trong xử lý nước thải còn có tác dụng loại bỏ chất hữu cơ độc hại của các dẫn xuất phenol và benzen…

Trên đây là chia sẻ của các chuyên gia Toàn Á JSC về xử lý nước thải bằng Fenton. Hy vọng những thông tin mà chúng tôi mang lại đã giúp các bạn hiểu rõ hơn về quy trình, những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả và khả năng ứng dụng của công nghệ. Nếu bạn đang muốn xây dựng hệ thống xử lý nước thải chuyên nghiệp dành cho gia đình, doanh nghiệp, cơ quan của mình, hãy liên hệ với chúng tôi để được tư vấn các giải pháp tối ưu nhất.