nghiên cứu xử lý nước thải từ quá trình sản xuất cà phê hòa tan bằng một số quá trình oxy hóa nâng cấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM










ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP





NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TỪ QUÁ TRÌNH
SẢN XUẤT CÀ PHÊ HÒA TAN BẰNG MỘT SỐ QUÁ
TRÌNH OXY HÓA NÂNG CAO




Ngành: MÔI TRƯỜNG & CNSH
Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Giảng viên hướng dẫn : TS. THÁI VĂN NAM
Sinh viên thực hiện : LÊ THỊ THÙY NHIÊN
MSSV: 1191080079 Lớp: 11HMT01




TP. Hồ Chí Minh, 2013
BM07/QT04/ĐT
Khoa: Môi trường & CNSH
BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(GVHD nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Khoa)

1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm 01):
Lê Thị Thùy Nhiên MSSV: 1191080079 Lớp:11HMT01
Ngành : Môi trường và Công nghệ sinh học
Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trường
2. Tên đề tài: Nghiên cứu xử lý nước thải từ quá trình sản xuất cà phê hòa tan bằng một
số quá trình oxy hóa nâng cao
3. Tổng quát về ĐATN:
Số trang: 78 Số chương: 04
Số bảng số liệu: 16 Số hình vẽ: 27
Số tài liệu tham khảo: 07 Phần mềm tính toán:
Số bản vẽ kèm theo: Hình thức bản vẽ:
Hiện vật (sản phẩm) kèm theo:
4. Nhận xét:
a) Về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên:

b) Những kết quả đạt được của ĐATN:





c) Những hạn chế của ĐATN:




5. Đề nghị:
Được bảo vệ (hoặc nộp ĐATN để chấm)
 Không được bảo vệ 

TP. HCM, ngày … tháng … năm ……….
Giảng viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)



Ghi chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm ĐATN.
LỜI CAM ĐOAN
Sau 3 tháng làm đồ án tốt nghiệp, hiện nay em đã hoàn thành đề tài mà giáo
viê n hướng dẫn giao. Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp này do em tự thực hiện,
không sao chép dưới bất kỳ hình thức nào, các số liệu trích dẫn và các kết quả
nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp là trung thực và chính xác. Nếu có bất kỳ sự
gian lận nào thì em sẽ chịu toàn bộ trách nhiệm trước nhà trường về lời cam
đoan của mình.

Sinh viên thực hiện



Lê Thị Thùy Nhiên

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập tại trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ, dưới sự dẫn
dắt của quý thầy cô trong Khoa Môi Trường - Công Nghệ Sinh Học và các Khoa
khác đã truyền đạt và bồi dưỡng cho em những kiến thức, phương pháp học tập và
nghiên cứu chuyên môn cũng như trong những lĩnh vực khác. Chính sự tận tụy và
lòng nhiệt huyết của quý thầy cô, là nguồn động lực giúp em cố gắng trau dồi thêm
kiến thức và vượt qua những khó khăn trong học tập.
Em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc của mình tới quý thầy cô trong Khoa Môi
Tr ường - Công Nghệ Sinh Học và các Khoa khác đã dạy dỗ, truyền đạt kiến thức và
tạo mọi điều kiện tốt nhất để giúp em hoàn thành khoá học.
Em xin kính gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS. Thái Văn Nam, đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành tốt Đồ án tốt nghiệp này.
Thay cho lời kết em xin cảm ơn gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về vật
chất lẫn tinh thần trong suốt những năm học tập. Đồng thời xin cảm ơn tất cả những
bạn bè đã gắn bó cùng nhau học tập và giúp đỡ trong thời gian qua, cũng như trong
quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp này.
Xin chân thành cám ơn !
TP. HCM, ngày 30 tháng 03 năm 2013
Sinh viên thực hiện



Lê Thị Thùy Nhiên

i
MỤC LỤC
Trang
1
1. T N 1
2. C TIÊU NGHIÊN U 2
3. I DUNG NGHIÊN U 2
4. I NG VÀ PHẠM VI NGHIÊN U 3
4.1 Đối tượ 3
4.2.Phạ 3
5. A I 3
3
4
NÂNG
CAO 5

1.1. NG N CHUNG CÁC NH OXI A NÂNG CAO 5
5
6
*OH 7
1.1.4. Phân loại các quá trình oxy hóa nâng cao 10
10
11
1.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ NH OXI A NÂNG CAO 12
12
12
1.2.1.2. Cơ chế tạ 13

1.2.1.3. Những nhân tố ảnh hưởng 14

ii
1.2.2. Quá trình oxi hóa nâng cao trên cơ sở Ozon: Peroxon (H
2
O
2
/O
3
) 15
15
(H
2
O
2
/O
3
) 17
(UV/ Oxidation Processes) 19
1.2.3.1. Giới thiệu quá trình UV/oxi hóa (UV/ Oxidation Processes) 19
1.2.3.2. Quá trình quang phân UV bằng Ozone 19
1.2.3.3. Quá trình xử lý nước bằng hệ H
2
O
2
/O
3
/UV 20
1.2.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến xử lý nước thải bằng quá trình UV/oxi
hóa 20

1.2.3.5. Động học của quá trình UV/oxi hóa 21
CHẾ BIẾN CÀ PHÊ VÀ NHÀ
MÁY SẢN XUẤT VINACAFÉ BIÊN HÒA 24

2.1. NG QUAN NH PHÊ T NAM 24
2.1.1. Các đặc điểm chung của cà phê Việt Nam 24
2.1.2. Chế biến và xuất khẩu cà phê của Việt Nam 24
2.1.3. 26
26
26
2.1.4. các vấn đề môi trường của nhà máy chế biến cà phê 26
2.1.4.1. Nước thải 26
2.1.4.2. Chất thải rắn 26
2.1.4.3 Khí thải 26
2.1.4.4. Tiếng ồn và độ rung 27
2.1.5. Thành phần và tính chất nước thải chiến biến cà phê hòa tan 27
2.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN CÀ PHÊ CÔNG TY
VINACAFÉ BIÊN HÒA 30
2.2.1. Giới thiệu về ngành chế biến cà phê hòa tan của công ty 30
2.2.2. Phương pháp chế biến cà phê 31
2.2.3. nguồn phát sinh và lưu lượng nước thải 35

iii
ủa công ty vinacafé
Biên Hòa 36

VÀ VẬT LIỆ 39
3.1. SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU 39
3.2 MÔ NH NGHIÊN U 41

41
3.3 A T, NG T NGHIÊN U 43
43
45
45
3.4 N NH M 46
3.4.1. Quá trình Fenton đồng thể 46
ằng hệ peroxon (H
2
O
2
/O
3
) 47
ằng hệ O
3
/UV 47
ằng hệ H
2
O
2
/O
3
/UV 48
3.5 PHƯƠNG P PHÂN CH 48
50
4.1. KẾT QUẢ CÁC QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM 50
4.1.1. Quá trình xử lý nước thải cà phê hòa tan bằng phương pháp Fenton đồng
thể 50

4.1.2. Quá trình xử lý nước thải cà phê hòa tan bằng peroxon (H
2
O
2
/O
3
) 52
4.1.2.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng H2O2 đến hiệu quả xử lý độ
màu trong nước thải cà phê hòa tan 52

4.1.2.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng H
2
O
2
đến hiệu quả xử lý
COD trong nước thải cà phê hòa tan 55

4.1.2.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý độ màu trong
nước thải cà phê hòa tan 57

4.1.2.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD trong nước
thải cà phê hòa tan 59


iv
4.1.3. Quá trình xử lý nước thải cà phê hòa tan bằng hệ O
3
/UV 62
4.1.3.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý độ màu trong
nước thải cà phê hòa tan bằng hệ O

3
/UV 62
4.1.3.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD trong nước
thải cà phê hòa tan bằng hệ O
3
/UV 64
4.1.4. Quá trình xử lý nước thải cà phê hòa tan bằng hệ H
2
O
2
/O
3
/UV 67
4.2. SO SÁNH HIỆU QUẢ XỬ LÝ GIỮA CÁC PHƯƠNG PHÁP 70
4.2.1. So sánh hiệu quả xử lí COD trong nước thải cà phê hòa tan 70
4.2.2. So sánh hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà phê hòa tan 71
4.3. TÍNH TOÁN CHI PHÍ CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP 72
4.3.1.Oxi hóa bằng quá trình Fenton 72
4.3.2.Oxi hóa bằng quá trình Peroxon (H
2
O
2
/O
3
) 72
4.3.3. Quá trình xử lý bằng hệ O
3
/UV 73
4.3.4. Quá trình xử lý bằng hệ H
2

O
2
/O
3
/UV 73
4.4. SO SÁNH KẾT QUẢ PHÂN TÍCH NƯỚC THẢI CÀ PHÊ HÒA TAN CỦA
BỐN PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA NÂNG CAO 74
76
1. KẾT LUẬN 76
2. KIẾN NGHỊ 77



v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT
Từ viết
tắt
Nội dung Nghĩa
1 AOPs
Advanced Oxidation
Processes
Các quá trình oxy hóa bậc cao
2 BOD
Biochemical Oxygen
Demand
Nhu cầu oxy sinh hoá
3 COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hoá học
4
QCVN

Quy chuẩn Việt Nam
5
BTNMT

Bộ tài nguyên môi trường



vi
MỤC LỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Khả năng oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa 8
Bảng 1.2: Một số chất ô nhiễm trong nước và nước thải có thể xử lý bằng các quá
trình oxi hóa nâng cao [Simon, 2004] 9
1.3: 10
1.4: 11
2.1 25
Bảng 2.2 Thành phần tính chất nước thải chế biến cà phê hòa tan 27
Bảng 3.1: Đặc tính nước thải chế biến cà phê hòa tan sau xử lý sinh học 41
3.2: 45
Bảng 4.1: Hiệu quả xử lý bằng phương pháp Fenton đồng thể 50
Bảng 4.2: Hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà phê hòa tan bằng quá trình
Peroxon (H
2
O
2
/O
3
) ở pH = 8 52

Bảng 4.3: Hiệu quả xử lý COD trong nước thải cà phê hòa tan bằng quá trình
Peroxon (H
2
O
2
/O
3
) ở pH = 8 55
Bảng 4.4: Hiệu quả xử lý độ màu bằng quá trình peroxon (H
2
O
2
/O
3
) 57
Bảng 4.5: Hiệu quả xử lý COD bằng quá trình peroxon (H
2
O
2
/O
3
) 59
Bảng 4.6: Hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà phê hòa tan bằng hệ O
3
/UV 62
Bảng 4.7: Hiệu quả xử lý COD trong nước thải cà phê hòa tan bằng hệ O
3
/UV 64
Bảng 4.8: Hiệu quả xử lý nước thải cà phê hòa tan bằng hệ H2O2/O3/UV 67
Bảng 4.9: So sánh hiệu quả tối ưu của bốn phương pháp oxy hóa nâng cao 74

vii
MỤC LỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
1.1: 16
2.1: 2008) 24
Hình 2.2: 29
Hình 2.3: Quy trình chế biến cà phê hòa tan Vinacafé Biên Hòa. 31
2.4: Quy trình công nghệ xử lý nước thải, công suất 100 m
3
/ngày.đêm 37
Hình 3.1: Sơ đồ trình tự thí nghiệm 41
3.2: 43
3.3: 43
Hình 3.4: Hóa chất thí nghiệm 44
Hình 3.5: Các dụng cụ thí nghiệm 45
Hình 3.6: hotometer sử dụng trong đo độ màu. 46
Hình 4.1: Biểu đồ ảnh hưởng của tỉ lệ hóa chất H
2
O
2
/Fe
2+
đến hiệu quả xử lý nước
thải cà phê hòa tan bằng quá trình Fenton đồng thể 51

Hình 4.2: Biểu đồ ảnh hưởng của hàm lượng H
2
O

2
đến hiệu quả xử lý độ màu
trong nước thải và phê hòa tan bằng quá trình Peroxon (H
2
O
2
/O
3
). 53
Hình 4.3: Biểu đồ ảnh hưởng của hàm lượng H
2
O
2
đến hiệu quả xử lý COD trong
nước thải và phê hòa tan bằng quá trình Peroxon (H
2
O
2
/O
3
). 55
Hình 4.4: Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà
phê hòa tan bằng quá trình Peroxon (H
2
O
2
/O
3
). 57
Hình 4.5: Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD trong nước thải cà

phê hòa tan bằng quá trình Peroxon (H
2
O
2
/O
3
). 60
Hình 4.6: mẫu trước và sau xử lý 60 phút. 61
Hình 4.7: mẫu trước và sau xử lý 20, 40, 60, 80 phút 62
Hình 4.8: Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà
phê hòa tan bằng hệ O
3
/UV 64
Hình 4.9: Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD trong nước thải cà
phê hòa tan bằng hệ O
3
/UV. 65
Hinh 4.10: Mẫu trước và sau xử lý 60 phút. 67

viii
Hình 4.11: Mẫu trước và sau xử lý 20, 40, 60, 80 phút. 67
Hình 4.12: Biểu đồ hiệu quả xử lý nước thải cà phê hòa tan bằng hệ H
2
O
2
/O
3
/UV
69

Hình 4.13: Mẫu trước và sau xử lý 60 phút. 70
Hình 4.14 : Mẫu trước và sau xử lý 20, 40, 60, 80 phút. 71
Hình 4.15: Biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý COD trong nước thải cà phê hòa tan của
một số quá trình oxy hóa. 71

Hình 4.16: Biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà phê hòa tan
của một số quá trình oxy hóa. 72

Đồ án tốt nghiệp
1


U
1.
Cà phê là thức uống có từ lâu đời và phát triển cho đến ngày nay, là một trong
những loại thức uống được ưa chuộng nhất trên thế giới và có mức tiêu thụ c ao. Vì
vậy, đối với những nước có điều kiện trồng cà phê như nước ta cà phê không chỉ
được tiêu thụ trong nước mà còn là mặt hàng xuất khẩu mang lại lợi nhuận kinh tế
cao. Với người sử dụng ngày càng nhiều cộng với nhịp sống hối hả của thời đại
công nghiệp việc pha cà phê bằng phin rất bất lợi nhất là về thời gian. Đối với người
tiêu dùng cà phê hòa tan nhanh chóng được ưa chuộng vì sự tiện lợi của nó. Đối với
nhà sản xuất cà phê hòa tan là một mặt hàng có giá trị cao thu được nhiều lợi
nhuận.Việc sản xuất cà phê hòa tan đang được nhiều công ty sản xuất vì tính tiện lợi
và lợi nhuận của nó như: Nescafe, Trung Nguyên, Vinacafé,… Với việc sản xuất
ngày càng nhiều thì lượng chất thải ra môi trường sẽ nhiều, nhất là lượng nước thải
sau quá trình sản xuất, khoảng vài trăm khối một ngày.
Tuy nhiên, vì quá chú tâm phát triển kinh tế mà chưa quan tâm sâu sắc đến
khía cạnh môi trường và kết quả của sự phát triển lệch lạc đó là môi trường đang bị
ô nhiễm nghiêm trọng. Nước thải cà phê nếu không có biện pháp xử lý hợp lý, quản
lý chặt chẽ thì không chỉ ảnh hưởng tới mỹ quan môi trường trong vùng mà hệ sinh

thái, sức khỏe cộng đồng cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Một bài học được rút ra
từ
ải ra, biến thành những con sông chết.
Quy trình sản xuất cà phê hòa tan làm phát sinh lượng nước thải rất lớn. Nước
thải từ quá trình sản xuất có thành phần ô nhiễm cao, đặc biệt là nồng độ COD và
độ màu, Ngoài ra còn nhiều chất hữu cơ đa vòng, cafein, chất chát, lingin…. là
những chất khó phân hủy sinh học và gây ức chế quá trình hoạt động của vi sinh
vật, rất khó xử lý triệt để bằng quá trình sinh học. Nước thải sau quá trình xử lý sinh
học hầu hết không đạt tiêu chuẩn xả thải mà cần thiết phải có công đoạn xử lý tiếp
theo như quá trình oxy hóa bậc cao (AOPs).
Đồ án tốt nghiệp
2


Hiện nay, bên cạnh những công ty chế biến cà phê thực hiện đúng quy trình
xử lý nước thải thì vẫn còn tồn tại một số công ty chưa xử lý nước thải hoặc xử lý
chưa đạt hiệu quả QCVN về một số thông số như: COD, độ màu…
Trên cơ sở đó nghiên cứu xử lý nước thải từ quá trình sản xuất cà phê hòa tan
bằng một số quá trình oxy hóa nâng cao được đặt ra nhằm giải quyết vấn đề trên.
2.
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu, so sánh hiệu quả xử lý nước thải
sau quá trình xử lý sinh học của nhà máy sản xuất cà phê hòa tan bằng một số quá
trình oxy hóa bậc cao như.
• Quá trình Fenton đồng thể: H
2
O
2
và Fe
2+
.

• Quá trình Peroxon: H
2
O
2
/O
3.

• Quá trình xử lý bằng hệ O
3
/UV.
• Quá trình xử lý bằng hệ: H
2
O
2
/O
3
/UV.
Vậy phương pháp oxy hóa bậc cao nào là phù hợp để xử lý nước thải cà phê
hòa tan?
Để làm được điều này, đề tài tập trung vào hai mục tiêu cụ thể sau:
• Xác định các thông số tối ưu của bốn phương pháp oxy hóa bậc cao đã đề
cập ở trên: pH, H
2
O
2
và thời gian xử lý.
• So sánh các quá trình oxy hóa bậc cao và tìm ra quá trình mang lại hiệu quả
cao nhất, xử lý tốt nhất đối với nước thải sau quá trình xử lý sinh học của
nhà máy sản xuất cà phê hòa tan.
3.

Để đạt được mục tiêu đề ra, đề tài tập trung vào các nội dung sau:
• Nghiên cứu một số quá trình oxy hóa bậc cao (Fenton đồng thể, H
2
O
2
/O
3
,
O
3
/UV và H
2
O
2
/O
3
/UV) áp dụng đối với nước thải sau quá trình xử lý sinh
học của nhà máy sản xuất cà phê hòa tan: làm thí nghiệm từng quá trình để
xem hiệu quả xử lý của chúng.
• Xác định pH tối ưu, hàm lượng H
2
O
2
tối ưu và thời gian xử lý tối ưu cho
từng phương pháp oxi hóa bậc cao.
Đồ án tốt nghiệp
3


• So sánh các quá trình tìm ra phương pháp tối ưu nhất dựa trên các chỉ tiêu:

COD, độ màu và thời gian xử lý.
• Đề xuất các giải pháp phù hợp để xử lý bậc cao đối với nước thải cà phê
hòa tan.
4. VÀ PHẠM VI
4.1 Đối tượng
Nước thải sau bể xử lý sinh học của hệ thống xử lý nước thải từ quá trình sản
xuất cà phê hòa tan lấy từ trạm xử lý nước thải vinacafé Biên Hòa.
3.2. Phạm vi
Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, thực hiện bởi mô hình Oxi hóa bậc cao,
vì thời gian có hạn nên sử dụng cố định cường độ UV phát ra có bước sóng 254 nm
và lượng O
3
cung cấp là 1 g/h.
Nghiên cứu tập trung vào hiệu quả xử lý độ màu và hiệu quả xử lý COD của
một số quá trình oxi hóa bậc cao xử lý nước thải sau quá trình xử lý sinh học của
nhà máy sản xuất cà phê hòa tan, cụ thể là nước thải tại nhà máy Vinacafé Biên
Hòa.
5.
5.1.
Các thông số thí nghiệm nghiên cứu của đề tài có tham khảo và kế thừa
thành quả của các thí nghiệm trước, tạo cơ sở và độ tin cậy kết quả thí nghiệm
mang lại.
Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để áp dụng các phương pháp oxi hóa
bậc cao vào xử lý nước thải nói chung và nước thải chế biến cà phê hòa tan nói
riêng.
Hiện nay, các quá trình oxi hóa bậc cao vẫn chưa được phổ biến rộng rãi so
với các quá trình xử lý khác. Vì vậy, việc nghiên cứu các quá trình oxi hóa bậc cao
mang tính mới, và
cần thiết.
Đồ án tốt nghiệp

4


5.2.
Trên cơ sở nghiên cứu thành công, đề tài có thể áp dụng vào thực tế với các
ưu điểm: thời gian xử lý nhanh, hiệu quả cao, dễ vận hành, mặt bằng xử lý nhỏ
Đó là những ưu điểm rất hấp dẫn của đề tài nghiên cứu này.
Đồ án tốt nghiệp
5


CHƯƠNG 1:

1.1.
CAO
1.1.1.
2
, H
2

,
(Advanced Oxidation Processes – AOPs).
đặc biệt là các chất hữu cơ bền vững và
độc hại

(POPs) như hydrocacbon halogen
(trihalom
-
.
Ng

Escherichia coli, Coliform
Đồ án tốt nghiệp
6


Campylobacter, Yersina, Mycobacteria, Legionella, Cryptosporium,
trihalometan (THM).
1.1.2.

Trong công nghệ xử lý nước và nước thải truyền thống thường sử dụng các
chất oxi hóa thông dụng sau đây:
Clo (Cl
2
)
Clo là chất oxi hóa hóa học tốt được sử dụng để khử Fe
2+
trong nước ngầm
hoặc nước mặt, trong khử trùng nước sau xử lý. Vì clo là chất oxi hóa tương đối
mạnh, rẻ tiền và dễ sử dụng nên được dùng rất phổ biến trong ngành xử lý nước và
nước thải cho đến ngày nay. Tuy vậy, nhược điểm chính của clo là trong quá trình
khử sắt và khử trùng bằng clo đã tác dụng với các chất hữu cơ thiên nhiên (NOM),
tạo ra những phụ phẩm là các chất hữu cơ chứa clo (THM) gây nguy cơ ung thư cho
người sử dụng. Ngoài ra, clo chỉ có khả năng khử trùng một số rất hạn chế loại vi
khuẩn như E.Colis, không có khả năng diệt các vi khuẩn hoặc virus truyền bệnh
nguy hiểm như Giardia và Cryptosporidium.
Kali pecmanganat (KMnO
4
)
Kali pecmanganat là chất oxi hóa được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước. Đó
là chất oxi hóa mạnh hơn clo, có thể làm việc trong khoảng pH rộng, nhưng đắt tiền.

Ngoài ra, nhược điểm đáng kể của kali pecmanganat khi sử dụng trong xử lý nước
là tạo ra mangan dioxit trong quá trình oxi hóa, chất này kết tủa và do vậy phải tách
ra bằng cách lọc hoặc lắng, gây tăng thêm chi phí.
Hydrogen peroxit (H
2
O
2
)
Hydrogen peroxit là chất oxi hóa mạnh hơn clo và kali pecmanganat và được
sử dụng rất phổ biến trong xử lý nước thải để phân hủy các chất hữu cơ và khử màu
của nước thải ngành giấy hoặc dệt nhuộm. Ngoài ra, ưu điểm của hydrogen peroxit
là không sinh ra chất độc hoặc chất có màu trong quá trình sử dụng. Tuy vậy, khả
Đồ án tốt nghiệp
7


năng oxi hóa của hydrogen peroxit không đủ mạnh để khoáng hóa hoàn toàn chất ô
nhiễm hữu cơ như yêu cầu đòi hỏi.
Ozon (O
3
)
Ozon là chất oxi hóa mạnh nhất trong số các chất oxi hóa thông dụng kể trên,
được sử dụng để khử trùng, phân hủy các chất hữu cơ hoặc để khử màu nước thải
ngành giấy hoặc dệt nhuộm, khử mùi hôi, khử sắt hoặc mangan trong nước sinh
hoạt. Ưu điểm của ozon là tự phân hủy, không để lại các phụ phẩm lạ và nguy hiểm
trong nước sau khi phản ứng. Tuy vậy, ozon hòa tan kém trong nước và là hợp chất
không bền, thời gian tồn tại chỉ vài phút. Vì vậy, để có thể đạt được số lượng ozon
hòa tan trong nước đủ lớn cho quá trình oxi hóa, phải đưa vào hệ một lượng ozon
lớn. Ngoài nhược điểm nói trên, khi sử dụng ozon làm chất oxi hóa trong xử lý
nước và nước thải là phải sản xuất ozon tại chỗ, ngay trong dây chuyền xử lý.

1.1.3.
*OH
Gốc hydroxyl (*OH) và khả năng oxi hóa của gốc hydroxyl
Oxi hóa là quá trình trong đó electron được chuyển từ một chất này sang một
chất khác. Điều này tạo nên một hiệu thế được biểu thị bằng volt (V) dựa trên hiệu
thế điện cực hydro bằng zero. Mỗi chất (tác nhân) oxi hóa đều có một thế oxi hóa
khác nhau và đại lượng này được dùng để so sánh khả năng oxi hóa mạnh hay yếu
của chúng.
Khả năng oxi hóa của các tác nhân oxi hóa được thể hiện qua thế oxi hóa và
được sắp xếp theo các thứ tự trình bày trên (bảng 1.1) dưới đây





Đồ án tốt nghiệp
8



Nhiều tác nhân oxi hóa mạnh đề , trong số đó, gốc hydroxyl
*OH là tác nhân oxi hóa mạnh nhất. Thế oxi hóa của gốc hydroxyl *OH là 2,80V,
cao nhất trong số các tác nhân oxi hóa thường gặp. Nếu so với clo, thế oxi hóa của
gốc hydroxyl *OH cao gấp 2,05 lần và so với ozon, thế oxi hóa của gốc hydroxyl
*OH cao gấp 1,52 lần.
Đặc tính của các gốc tự do là trung hòa về điện. Mặt khác, các gốc này
không tồn tại có sẵn như những tác nhân oxi hóa thông thường, mà được sản sinh
ngay trong quá trình phản ứng, có thời gian sống rất ngắn, khoảng vài nghìn giây
nhưng liên tục được sinh ra trong suốt quá trình phản ứng. Với thế oxy hóa rất cao
gốc hydroxyl có khả năng oxy hóa mọi chất hữu cơ, dù là loại khó phân hủy nhất

thành những hợp chất vô cơ không độc hại như CO
2
, H
2
O, axit vô cơ, …
Khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm và khử trùng của các quá trình oxi hóa
nâng cao vượt xa các công nghệ truyền thống trong xử lý nước và nước thải. Dưới
đây sẽ đơn cử một số chất ô nhiễm đặc trưng mà các quá trình oxi hóa nâng cao có
thể loại bỏ khỏi nước và nước thải đạt đến cấp độ mong muốn mà công nghệ truyền
thống khó có thể đạt được (bảng 1.2).

Bảng 1.1: Khả năng oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa
Tác nhân oxi hóa
Thế oxi hóa, V
Gốc hydroxyl (*OH)
2,80
Ozon
2,07
Hydrogen peroxit (H
2
O
2
)
1,78
Pecmanganat
1,68
Hydrobromic axit
1,59
Clo dioxit
1,57

Hypocloric axit
1,49
Hypoiodic axit
1,45
Clo
1,36
Brom
1,09
Iod
0,54
[Zhou H. and Smith, D.H., 2001]
Đồ án tốt nghiệp
9


Bảng 1.2: Một số chất ô nhiễm trong nước và nước thải có thể xử lý bằng các quá
trình oxi hóa nâng cao [Simon, 2004]
Tên chất ô nhiễm
Tên chất ô nhiễm
Các amino axit
MTBE
Các thuốc kháng sinh
Nước thải thuộc da
Acsen
Bùn cống rãnh đô thị
Crom
Nước thải sản xuất thuốc bảo vệ thực
vật
Coliform
Các chất hữu cơ bay hơi (VOC)

Các sản phẩm phụ khi khử trùng bằng
clo
Nước thải sản xuất bột giấy
Nước thải chưng cất cồn rượu
Cryptosporidium
Nước thải sản xuất sợi thủy tinh
Các chất có màu và mùi vị khó chịu
Nước thải bệnh viện
Nước thải chế biến cao su
Hóa chất bảo vệ thực vật
Nước thải sản xuất hóa chất đặc biệt
Nước thải sản xuất giất Craft
Các chất mùn và humic
Các chất hữu cơ thiên nhiên
Nước thải mạ niken
Nước thải khai thác dầu thô
Xyanua
Nước thải sản xuất dầu oliu
Escherichia coli
Nước thải chứa phenol
Nhựa phenolic
Nước thải ngành in
Nước thải ngành nhuộm
Trinitrotoluen (TNT)
Các chất hữu cơ bền vững (POP)




Đồ án tốt nghiệp

10


1.1.4. Phân loại các quá trình oxy hóa nâng cao

.
1.1.4.1.

không nhờ năng lượng bức xạ tia cực tím UV trong quá trình phản ứng và chúng
được liệt kê ở (bảng 1.3).
1.3:
TT
1 H
2
O
2
2+

H
2
O
2
+ Fe
2+
→
Fe
3+
+ OH
-
+

*OH
Fenton
2 H
2
O
2 3

H
2
O
2
+ 2O
3
→
2*OH + 3O
2
Peroxon
3
O
3

3O
3
+ H
2
O
cxt
 →
2*OH + 4O
2

Catazon
4
H
2

H
2
O
nldh
  →
*OH + *H
O

5
H
2
siêu âm
H
2
O
nlsa
→
*OH + *H
(20 - 40 kHz)
Siêu âm
6
H
2
cao

H
2
O
nlc
 →
*OH + *H
( 1 - 10 Mev)




Đồ án tốt nghiệp
11


1.1.4.2.
ờ
năng lượng bức xạ tia cực tím UV, bao gồm các quá trình được trình bày ở (bảng
1.4).
1.4:
TT
1
H
2
O
2
photon UV
H
2
O

2

hv
 →
2*OH
(
λ
= 220 nm)
UV/H
2
O
2

2
O
3
photon UV
O
3
+ H
2
O
hv
 →
2*OH
(
λ
= 253,7 nm)
UV/O
3

3
H
2
O
2
/O
3

H
2
O
2
+O
3
+ H
2
O
hv
 →
4*OH +
O
2
(
λ
= 253,7 nm)
UV/H
2
O
2

+ O
3

4
H
2
O
2
/Fe
3+

Fe
3+
+H
2
O
hv
 →
*OH +Fe
2+
+ H
+

Fe
2+
+ H
2
O
2

hv
 →
Fe
3+
+ OH
-
+*OH
Quang Fenton
5
TiO
2
photon UV
TiO
2

hv
 →
e
-
+ h
+
(
λ
> 387,5 nm)
h
+
+ H
2
O
→

*OH + H
+
h
+
+ OH
-

→
*OH + H
+







Đồ án tốt nghiệp
12


1.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ G CAO
1.2.1. Q
1.2.1.1.
Năm 1894 trong tạp chí Hội hóa học Mỹ đã công bố công trình nghiên cứu
của tác giả J.H.Fenton, trong đó ông ta quan sát thấy phản ứng oxi hóa axit malic
bằng hydrogen peroxit đã được gia tăng mạnh khi có mặt các ion sắt [Walling, C.,
1975]. Sau đó, tổ hợp H
2
O

2
và muối sắt Fe
2+
được sử dụng làm tác nhân oxi hóa rất
hiệu quả cho nhiều đối tượng rộng rãi các chất hữu cơ và được mang tên “tác nhân
Fenton” (Fenton Reagent).
Hệ xúc tác Fenton được nghiên cứu rất mạnh và phát triển rộng , không
những ở dạng tác nhân Fenton cổ điển (H
2
O
2
/Fe
2+
) mà còn sử dụng những ion kim
loại chuyển tiếp và các phức chất của chúng như Fe(II), Fe(III), Cu(I), Cr(II) và
Ti(III) tác dụng với H
2
O
2
để tạo ra gốc *OH, được gọi chung là các tác nhân kiểu
như Fenton (Fenton-like Reagents).
Mặc dù tác nhân Fenton đã được biết hàng thế kỷ nay và thực tế đã chứng
minh là một tác nhân oxi hóa rất mạnh do sự hình thành gốc hydroxyl *OH trong
quá trình phản ứng, nhưng cơ chế của phản ứng Fenton cho đến nay vẫn còn đang
tranh cãi, thậm chí có ý kiến trái ngược phản bác. Chẳng hạn, trong khi tuyệt đại đa
số nhà nghiên cứu thừa nhận sự hình thành gốc hydroxyl *OH là nguyên nhân của
khả năng oxi hóa cao của tác nhân Fenton, nhưng vẫn có ý kiến nghi ngờ về sự hình
thành gốc hydroxyl đó.
Quá trình Fenton dạng cổ điển nói chung có hiệu quả cao trong khoảng pH 2-
4, cao nhất ở pH khoảng 2,8 [Pignatello, JJ.1992]. Do đó, trong điều kiện xử lý

nước thường gặp (pH 5 - 9), quá trình xảy ra không có hiệu quả. Nguyên nhân vì
bấy giờ ion Fe
2+
có xu hướng tạo thành kết tủa feric oxyhydroxit hoạt tính rất thấp.
Tuy nhiên, nếu thêm vào hệ một số phân tử (ligand) hữu cơ nào đó có thể tạo thành
phức chất Fe(III) hữu cơ thì quá trình có thể xảy ra ở pH cao hơn [Balmer, ME, et
al., 1999]. Lý do vì phức Fe(III) với các phối tử hữu cơ có thể tan được trong nước
nên hạn chế sự mất mát ion Fe bị kết tủa dưới dạng oxyhydroxit. Hơn nữa, phức
Fe(III) hữu cơ rất hoạt động khi có ánh sáng và dễ dàng tạo ra Fe(II) nên giúp cho
Đồ án tốt nghiệp
13


quá trình Fenton đạt hiệu quả cao. Đó chính là bản chất của quá trình photo Fenton.
Điều này có ý nghĩa quan trọng khi áp dụng quá trình Fenton vào thực tế do tránh
được môi trường pH thấp. Tuy nhiên vẫn không tránh khỏi vấn đề phải tách các ion
sắt ra sau khi xử lý. Những nghiên cứu về quá trình Fenton dị thể xảy ra trên chất
xúc tác sắt rắn như Goethite (α-FeOOH) đã giải quyết được vấn đề này, đồng thời
có thể tiến hành quá trình Fenton ngay ở pH trung tính. [Lin, S.S. and Gurol, M.M.,
1996].
Quá trình Fenton có ưu việt ở chỗ các tác nhân H
2
O
2
và muối sắt tương đối
rẻ và có sẵn, đồng thời không độc hại, dễ vận chuyển, dễ sử dụng, trong khi đó hiệu
quả oxi hóa được nâng cao hơn rất nhiều so với H
2
O
2

sử dụng một mình. Áp dụng
quá trình Fenton để xử lý nước và nước thải dẫn đến khoáng hóa hoàn toàn các chất
hữu cơ thành CO
2
, H
2
O và các ion vô cơ. Tuy nhiên, trong điều kiện đó phải sử
dụng rất nhiều hóa chất làm cho chi phí xử lý cao. Do vậy, trong nhiều trường hợp
chỉ nên áp dụng quá trình Fenton để phân hủy từng phần, chuyển các chất hữu cơ
không thể hoặc khó phân hủy sinh học thành các chất mới có khả năng phân hủy
sinh học nhằm có thể áp dụng thuận lợi quá trình xử lý sinh học tiếp sau.
1.2.1.2. Cơ chế tạo thành q
Hệ tác nhân Fenton cổ điển là một hỗn hợp gồm các ion sắt hóa trị 2 (thông
thường dùng muối FeSO
4
) và hydrogen peroxit H
2
O
2
, chúng tác dụng với nhau sinh
ra các gốc tự do hydroxyl *OH, còn ion Fe
2+
dễ bị oxi hóa thành ion Fe
3+
.
Fe
2+
+ H
2
O

2
→ Fe
3+
+ *OH + OH
-
(1.1)

1894.
Những ion Fe
2+
mất đi sẽ được tái sinh lại nhờ Fe
3+
tác dụng với H
2
O
2
dư
theo phản ứng:
Fe
3+
+ H
2
O
2
→ Fe
2+
+ H
+
+ *HO
2

. (k < 3.10
-3
l.mol
-1
.s
-1
) (1.2)

.
3+ 2+