Nghiên cứu kết hợp phương pháp fenton quang hóa và phương pháp sinh học MBBR trong xử lý nước rỉ rác nam sơn hà nội

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế, không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự
hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Được
sự phân công của Viện Kỹ thuật Hóa học- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
thực hiện đề tài luận văn Thạc sĩ“Nghiên cứu kết hợp phương pháp Fenton quang
hóa và phương pháp sinh học MBBR trong xử lý nước rỉ rác Nam Sơn - Hà Nội”
là một trải nghiệm thú vị. Tuy nhiên, do những hạn chế về mặt kinh nghiệm cũng
như mặt kiến thức nên tôi cũng gặp khá nhiều khó khăn trong quá trình thực hiện
luận văn này.
Trong quá trình thực hiện và hoàn thiện luận văn.Tôi xin chân thành cảm
ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS La Thế Vinh - Bộ môn Công nghệ các chất vô
cơ - Viện Kỹ thuật Hóa học - TrườngĐại học Bách Khoa Hà Nội, đã tận tình chỉ
bảo, giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong quá trìnhthực hiện luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới anh Vũ Tiền Tiến cùng Ban Lãnh đạo,
cán bộ, công nhân viên công ty Cổ phần Khoáng sản Minh Đức đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình lấy mẫu tại công ty.
Cảm ơn anh ThS. Vũ Duy Nhàn cùng các anh, chị trong Viện hóa học vật
liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự đã giúp tôi trong quá trình tiến hành
các thí nghiệm.
Xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè và gia đình luôn ủng hộ, giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng, một lần nữa xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo, các đơn vị
và cá nhân đã giúp đỡ trong quá trình tiến hành và hoàn hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn !

HVTH: Nguyễn Đức Anh

i


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
A - Mật độ quang.
AOPs - Các quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes).
BCL - Bãi chôn lấp.
BOD5 - Nhu cầu oxy sinh hoá 5 ngày (Biochemical Oxygen Demand 5 days).
COD - Nhu cầu oxy hoá học (Chemical Oxygen Demand).
DD - Dung dịch.
DO - Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen).
MBBR - Moving Bed Biofilm Reactor.
NRR - Nước rỉ rác.
OH* - Gốc tự do hydroxyl.
SS - Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid).
TDS - Tổng chất rắn hòa tan (Total Dissolved Solids).
T-N - Tổng nitơ (Total Nitrogen).
TOC - Tổng Cacbon hữu cơ (Total Organic Carbon).
T-P - Tổng Phốtpho (Total Phosphorus).
TSS - Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solid).
VSV - Vi sinh vật.

HVTH: Nguyễn Đức Anh

ii

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các số liệu về thành phần và tính chất nước rác của các bãi chôn
lấp mới và lâu năm
Bảng 1.2. Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á
Bảng 1.3. Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia khác trên thế giới

6
7
8

Bảng1.4.Thành phần nước rỉ rác của BCL Phước Hiệp-Thành phố Hồ Chí
Minh

8

Bảng 1.5.Thành phần nước rỉ rác của BCL Gò Cát- Thành phố Hồ Chí Minh
Bảng 1.6. Thông số nước rỉ rác lưu chứa tại hồ chứa và ô chôn lấp số 9của

9

bãi rác Nam Sơn – Hà Nội
Bảng 1.7. Thông số nước rỉ rác tươi và lưu chứa tại ô chôn lấp số 9của bãi
rác Nam Sơn

9

Bảng 1.8. Nước rỉ rác bãi chôn lấp Nam Sơn theo thời gian
Bảng 2.1. Các phản ứng có thể xảy ra trong quá trình Fenton
Bảng 2.2. Thông số các loại giá thể Anox Kaldnes
Bảng 2.3. Khả năng xử lý chất hữu cơ và dinh dưỡng
Bảng 3.1. Các thông số quan trắc và phương pháp xác định

9
10
17
26
31

Bảng 3.2. Thành phần nước rỉ rác ở hồ chứa của ô chôn lấp số 9 thuộc hố
chôn lấp số 5 bãi chôn lấp Nam Sơn (phân tích ngày 08/08/2015)
Bảng 3.3. Thông số các loại giá thể sử dụng trong mô hình
Bảng 3.4. Các thông số vận hành trong giai đoạn thích nghi
Bảng 3.5. Các thông số vận hành trong giai đoạn ổn định
Bảng4.1. Giá trị COD của NRR sau khi xử lý bằng quá trình Fenton truyền
thống ở các nồng độ H2O2 và thời gian khác nhau
Bảng 4.2. Các thông số của nước rỉ rác sau xử lý bằng Fenton truyền thống

35

Bảng 4.3. Giá trị COD của NRR trước và sau khi xử lý bằng quá trình
Fenton truyền thống ở các tỷ lệ H2O2/Fe2+
Bảng 4.4. Giá trị COD của NRR trước và sau khi xử lý bằng quá trình
Fenton truyền thống ở các giá trị pH khác nhau
Bảng 4.5. Các thông số của nước rỉ rác trước và sau xử lý bằng quá trình
Fenton truyền thống

Bảng 4.6. Giá trị COD của NRR trước và sau khi xử lý bằng quá trình
Fenton quang hóa ở các nồng độ H2O2 và thời gian khác nhau
Bảng 4.7.Các thông số của NRR sau khi xử lý bằng quá trình Fenton

45

35
39
41
42
43

46
47
49
49

quang hóa
HVTH: Nguyễn Đức Anh

iii


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Bảng 4.8. Giá trị COD của NRR trước và sau khi xử lý bằng quá trình
Fenton quang hóa ở các tỉ lệ H2O2/Fe2+

51

Bảng 4.9. Giá trị COD của NRR trước và sau khi xử lý bằng quá trình
Fenton quang hóa ở các giá trị pH
Bảng 4.10. Các thông số của nước rỉ rác Nam Sơn trước và sau xử lý bằng

51
52

quá trình Fenton quang hóa
Bảng 4.11. Kết quả phân tích giai đoạn thích nghi trên giá thể K3

53

Bảng 4.12. Kết quả phân tích giai đoạn ổn định trên giá thể K3

55
58

HVTH: Nguyễn Đức Anh

iv


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Mô tả quá trình xử lý của bể MBBR

25

Hình 2.2. Các loại giá thể K1, K2, K3, Biofilm Chip M và Natrix-O
Hình 2.3. Sự phát triển của lớp màng biofilm
Hình 2.4. Cơ chế trao đổi chất của màng vi sinh vật

26
28
28

Hình 2.5. Quy trình xử lý COD và chất dinh dưỡng
Hình 3.1. Sơ đồ mô hình Jartest

32
35

Hình 3.2. Sơ đồ quy trình tiến hành thí nghiệm Fenton

37

Hình 3.3. Giá thể K3 – Anox Kaldnes

40

Hình 3.4. Sơ đồ quy trình tiến hành thí nghiệm MBBR
Hình 3.5. Men vi sinh Biosystem B560HV sử dụng nuôi cấy vi sinh
Hình 4.1. Hình ảnh nước rỉ rác trước và sau khi xử lý bằng quá trình

40

41

Fenton truyền thống ở các nồng độ H2O2 khác nhau
Hình 4.2. Biểu đồ thể hiện hiệu quả xử lý COD trong nước rỉ rác theo thời
gian tiếp xúc ở các nồng độ H2O2 khác nhau
Hình 4.3. Nước rỉ rác sau khi xử lý theo các tỉ lệ H2O2/Fe2+ khác nhau
Hình 4.4. Biểu đồ thể hiện hiệu quả xử lý COD trong nước rỉ rác theo tỉ lệ

43

H2O2/Fe2+
Hình 4.5. Nước rỉ rác sau khi xử lý theo giá trị pH
Hình 4.6. Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD
Hình 4.7. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 và thời gian đến hiệu quả xử lý
của quá trình Fenton quang hóa
Hình 4.8 Ảnh hưởng của tỉ lệ H2O2/Fe2+ đến hiệu quả xử lý của quá trình
quang Fenton
Hình 4.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý của quá trình Fenton

47
48
48

quang hóa
Hình 4.10. Hiệu quả xử lý COD, BOD5 và màu của NRR bằng quá trình
Fenton truyền thống và quá trình Fenton quang hóa
Hình 4.11. Bọt trắng nổi trên bề mặt bể phản ứng trong giai đoạn thích
nghi
Hình 4.12. Diễn biến pH và DO trong giai đoạn thích nghi
Hình 4.13. Diễn biến MLSS và COD trong giai đoạn thích nghi

Hình 4.14. Màng vi sinh hình thành trên giá thể K3 ngày thứ 8 và 20
Hình 4.15. Diễn biến tổng N trong giai đoạn thích nghi

52

Hình 4.16. Diễn biến pH và DO trong giai đoạn ổn định

59

HVTH: Nguyễn Đức Anh

44
46

50
51

54
55
56
57
57
58

v


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Hình 4.17. Diễn biến MLSS trong giai đoạn ổn định
Hình 4.18. Diễn biến COD trong giai đoạn ổn định

59
60

Hình 4.19. Diễn biến tổng Nitơ trong giai đoạn ổn định
Hình 4.20. Màng vi sinh hình thành trên giá thể K3 ngày thứ 8, 15 và 20
trong giai đoạn ổn định

60

HVTH: Nguyễn Đức Anh

vi

61


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

MỞ ĐẦU
Nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa.Việc phát triển
các khu công nghiệp luôn đi kèm với yêu cầu phát triển bền vững, tức là sựphát
triển phải song hành với giữ gìn và bảo vệ môi trường.Ngày nay, khi chất lượng
cuộc sống được cải thiện thì vấn đề môi trường cũng rấtđượcquan tâm, đặc biệt là
vấn đề rác thải và nước thải. Rác thải sinh ra từ mọi hoạt động của con người và

ngày càng tăng về khối lượng. Hầu hết rác thải ở nước ta nói chung và Thành
phố Hà Nội nói riêng đều chưa được phân loại tại nguồn, do đó gây rất nhiều khó
khăn trong quản lý và xử lý, đồng thời còn sinh ra một loại nước thải đặc biệt gây
ô nhiễm là nước rỉ rác. Những câu chuyện về rác và những hệ lụy môi trường từ
rác đang “nóng lên” trong những năm gần đây.
Theo thống kê của Sở Tài nguyên - Môi trường thành phố Hà Nội năm
2015thì tổng khối lượng chất thải rắn sinh hoạt trên địa bàn thành phố Hà
Nộiđãlên tới hơn 6500 tấn/ngày. Hiện nay lượng rác thải trên địa bàn Thành phố
phần lớn được thu gom về bãi rác Nam Sơn. Vàphương phápđang xử lý hiện
tạihầu hết là chôn lấp. Tuy nhiên phương pháp chôn lấp có một nhược điểm rất
lớn là sinh ra nước rỉ rác, lượng nước này nếu không được xử lý đúng mức sẽ ảnh
hưởng xấu tới môi trường đất sau đó ngấmvào các mạch nước ngầm ảnh hưởng
tới môi trường nước.Chính vì thế, việc xử lý nước rỉ rác từ bãi chôn lấp Nam Sơn
trở nên rấtcấp thiết.
Với đặc trưng của nước rỉrác thường có chứa lượng lớn hợp chất hữu cơ
khó hoặc không có khả năng phân huỷ sinh học, do đó để việc xử lý nước rỉrác
đạt kết quả mong muốn không thể chỉ dựa vào quá trình phân hủy sinh học mà
cần phải trải qua quá trình tiền xử lý bằng các phương pháp hóa học trước khi đi
vào hệ thống xử lý sinh học. Trong số các phương pháp hóa học, phương pháp
oxy hóa bậc cao (AOPs) đã chứng tỏ được hiệu quả và ưu điểm của nó bởi nó có
khả năng oxi hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ khó hoặc không thể phân hủy
sinh học với chi phí có thể chấp nhận được, lại dễ dàng thực hiện và kết hợp với
phương pháp sinh học thì có thể hiệu quả trong việcxử lý nước rỉ rác. Dựa trên cơ
sở đó, đề tài “Nghiên cứu kết hợp phƣơng pháp Fenton quang hóa và
phƣơng pháp sinh học MBBR trong xử lý nƣớc rỉ rác Nam Sơn - Hà
Nội”được thực hiện với mong muốn đưa ra một phương pháp xử lý đạt hiệu quả
cao, dễ dàng thực hiện ở nhiệt độ thường, thời gian xử lý nhanh, hoá chất dễ tìm
và chi phí vận hành không quá lớn.

HVTH: Nguyễn Đức Anh

1


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
- Xử lý thành phần chất hữu cơ có trong nước rỉ rác.
- Xử lý độ màu của nước rỉ rác.
- Kết hợp phương pháp xử lý hóa học và xử lý sinh học để tăng hiệu quả xử
lý nước rỉ rác.
Các nội dung nghiên cứu chính của luận văn
- Tổng quan về nước rỉ rác: Sự hình thành nước rỉ rác và thu thập các số
liệu về thành phần nước rỉ rác trên thế giới và Việt Nam.
- Thu thập các tư liệu từ các nguồn khác nhau về hiện trạng nghiên cứu ứng
dụng quá trình Fenton, cơ chế của quá trình Fenton trong xử lý nước rỉ rác và các
yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton.
- Thu thập các tư liệu từ các nguồn khác nhau về quá trình xử lý sinh học
bằng hệ thống MBBR.
- Phân tích thành phần nước rỉ rác của bãi chôn lấp Nam Sơn (trong đó
trọng tâm là COD, BOD5).
- Xác định điều kiện tối ưu xử lý nước rỉ rác theo phương pháp Fenton
truyền thống và Fenton quang hóa.
Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ và dinh dưỡng sau khi xử
lý bằng Fenton quang hóa của mô hình bằng giá thể K3(ϕ25x10, mm).
Đối tượngvà phạm vi nghiên cứu của luận văn
Nước rỉ rác của Bãi chôn lấp Nam Sơn, lấy ở ô chôn lấp số9, thuộc hố chôn
lấp số 5.

Phương pháp nghiên cứu của luận văn
- Phương pháp phân tích tổng hợp:Thu thập các tài liệu về thành phần của
nước rỉ rác, cơ chế của quá trình Fenton, cơ chế của quá trình sinh học và một số
ứng dụng của hai phương pháp này ở Việt Nam.
- Phương pháp chuyên gia: Tham vấn ý kiến của giảng viên hướng dẫn, các
chuyên gia trong ngành hóa, môi trường ở viện Kỹ thuật Hóa học - Đại học Bách
Khoa Hà Nội.
- Phương pháp thực nghiệm:

HVTH: Nguyễn Đức Anh

2


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

+ Phân tích các thông số đầu vào và đầu ra của nước rỉ rác.
+ Dùng phương pháp Fenton quang hóađể xử lý các hợp chất hữu cơ khó
phân hủy trong nước rỉ rác.
+ Khảo sát mô hình MBBR để xử lý nước rỉ rác sau quá trình Fenton quang
hóa.
- Phương pháp xử lý số liệu:Sử dụng các phương pháp quy hoạch thực
nghiệm để phân tích và tối ưu hoá quá trình thí nghiệm. Đồng thời xử lý số liệu
kết quả thí nghiệm bằng phần mềm Excel.
- Phương pháp phân tích và đánh giá:Toàn bộ kỹ thuật lấy mẫu và phân tích
các chỉ tiêu môi trường được tiến hành theo đúng các quy định của tiêu chuẩn
Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế.

HVTH: Nguyễn Đức Anh

3


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1Tổng quan về nƣớc rỉ rác
1.1.1Sự hình thành nƣớc rỉ rác
Nước rỉ rác là nước loại nước thải được sinh ra trong các khu chôn lấp rác
thải, được hình thành do sự rò rỉ nước mưa thấm vào trong lòng bãi rác hoặc do
độ ẩm sẵn có của rác thải được chôn lấp. NRR phát sinh từ các bãi chôn lấp chứa
lượng lớn các chất độc hại, khó bị phân hủy sinh học, có mùi hôi thối và màu nâu
đậm. Nếu không được xử lý tốt, NRR có thể thấm vào nước ngầm, trộn lẫn với
các nguồn nước mặt, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng[1,16].
Điều kiện khí tượng, thủy văn, địa hình, địa chất của bãi rác, nhất là khí hậu
trong đó lượng mưa ảnh hưởng đáng kể đến lượng nước rò rỉ sinh ra. Tốc độ phát
sinh nước rỉrác dao động lớn theo các giai đoạn hoạt động khác nhau của bãi rác.
Trong suốt những năm đầu tiên, phần lớn lượng nước mưa thâm nhập vào được
hấp thụ và tích trữ trong các khe hở và lỗ rỗng của chất thải chôn lấp. Lưu lượng
nước rỉ rác sẽ tăng dần lên trong suốt thời gian hoạt động và giảm dần sau khi
đóng cửabãi chôn lấp do lớp phủ cuối cùng và lớp thực vật trồng lên trên mặt giữ
nước làm giảm nước thấm vào.
1.1.2 Thành phần và tính chất của nƣớc rỉ rác
Thành phần của nước rỉ rác thay đổi rất nhiều, phụ thuộc vào tuổi của bãi
chôn lấp, loại rác thải, khí hậu.Mặt khác độ dày, độ nén và lớp nguyên liệu phủ
trên cùng cũng tác động lên thành phần nước rác.Nước rỉ rác gồm có hai thành

phần chính đó là các hợp chất hữu cơ và các hợp chất vô cơ.
Các chất hữu cơ: Axit humic, axit fulvic, các hợp chất tanin, các loại hợp
chất hữu cơ có nguồn gốc nhân tạo.
Các chất vô cơ: là các hợp chất của phospho, nitơ, lưu huỳnh…
Thành phần và tính chất của nước rỉ rác còn phụ thuộc vào các phản ứng lý,
hóa, sinh xảy ra trong bãi chôn lấp. Các quá trình sinh hóa xảy ra trong bãi chôn
lấp chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật, chúng sử dụng các hợp chất hữu cơ
từ chất thải rắn làm nguồn dinh dưỡng cho hoạt động sống của chúng. Các vi
sinh vậttham gia vào quá trình phân giải trong bãi chôn lấp được chia thành các
nhóm chủ yếu sau[8]:
- Các vi sinh vật ưa ẩm: Phát triển mạnh ở nhiệt độ 0 – 200C
HVTH: Nguyễn Đức Anh

4


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

- Các vi sinh vật ưa ấm: Phát triển mạnh ở nhiệt độ 200C – 400C
- Các vi sinh vật ưa nóng: Phát triển mạnh ở nhiệt độ 400C – 700C
Sự phân hủy chất thải rắn trong BCL gồm các giai đoạn sau[8]:
- Giai đoạn 1: Giai đoạn thích nghi ban đầu. Chỉ sau một thời gian ngắn từ
khi chất thải được chôn lấp thì quá trình phân hủy hiếu khí sẽ diễn ra, bởi vì
trong bãi rác còn có một lượng không khí nhất định nào đó được giữ lại. Giai
đoạn này có thể kéo dài một vài ngày cho đến vài tháng phụ thuộc vào tốc độ
phân hủy, nguồn vi sinh vật.
- Giai đoạn 2: Giai đoạn chuyển tiếp. Oxy bị cạn kiệt dần và sự phân hủy
chuyển sang giai đoạn kị khí. Khi đó Nitrat và sulfat là chất nhận điện tử cho các

phản ứng chuyển hóa sinh học và chuyển thành khí nitơ và H2S. Khi thế oxy hóa
giảm, vi khuẩn sẽ phân hủy các chất hữu cơ trong rác thải thành CH4 và CO2 sẽ
bắt đầu quá trình thủy phân, lên men axit và lên men metan chuyển hóa các chất
hữu cơ thành axit hữu cơ và các sản phẩm trung gian khác. Trong giai đoạn này
thì pH của nước rỉ rác sẽ giảm xuống do sự hình thành của các loại axit hữu cơ và
ảnh hưởng của nồng độ CO2 tăng lên trong bãi rác.
- Giai đoạn 3: Giai đoạn lên men axit. Bước đầu tiên trong quá trình 3 bước
(thủy phân, lên men axit, lên men metan) liên quan đến sự chuyển hóa các enzym
trung gian (thủy phân) của các hợp chất cao phân tử (lipit, polisaccarit…) thành
các chất đơn giản thích hợp cho vi sinh vật sử dụng.
Tiếp theo là quá trình lên men axit. Trong bước này xảy ra quá trình chuyển
hóa các chất hình thành ở bước trên thành các chất trung gian phân tử lượng thấp
hơn như axit acetic và nồng độ nhỏ axit fulvic, các axit hữu cơ khác.Trong quá
trình này khí CO2 được tạo ra nhiều nhất, ngoài ra một lượng nhỏ H2S cũng được
hình thành.
Giá trị pH của nước rỉ rác ở giai đoạn 3 sẽ giảm xuống nhỏ hơn 5 do sự có
mặt của axit hữu cơ và khí CO2. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), nhu cầu oxy hóa
học (COD) và độ dẫn điện tăng lên đáng kể trong suốt giai đoạn này do sự hòa
tan của các axit hữu cơ vào nước rò rỉ. Do pH thấp, nên một số chất vô cơ chủ
yếu là kim loại nặng sẽ được hòa tan.
- Giai đoạn 4: Giai đoạn lên men metan. Trong giai đoạn này nhóm vi sinh
vật kị khí nghiêm ngặt (vi khuẩn metan) sẽ chuyển hóa axit acetic và H2 hình
thành từ giai đoạn trước thành CH4, CO2. Do các axit hữu cơ và H2 bị chuyển hóa
HVTH: Nguyễn Đức Anh

5


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

thành metan và cacbonic nên pH của nước rỉ rác tăng lên đáng kể trong khoảng
từ 6,8- 8,0. Giá trị BOD5, COD và độ dẫn điện của nước rò rỉ cũng giảm xuống
đáng kể trong giai đoạn này.
- Giai đoạn 5: Giai đoạn ổn định. Giai đoạn này xảy ra khi các chất hữu cơ
dễ phân hủy sinh học đã được chuyển hóa thành CH4 và CO2 trong giai đoạn
4.Tốc độ phát sinh khí trong giai đoạn này giảm đáng kể, khí sinh ra chủ yếu là
CH4 và CO2.Trong giai đoạn này nước rò rỉ có thành phần chủ yếu là axit humic
và axit fulvic rất khó phân hủy sinh học.
Bảng 1.1. Các số liệu về thành phần và tính chất nước rác của các bãi chôn
lấp mới và lâu năm[8]
Thành phần

BCL mới (dƣới 2 năm)

BCL lâu năm
(trên 10 năm)

Khoảng giá trị

Giá trị trung
bình

BOD5 (mg/l)

2000 – 55000

10000

1000– 2000

TOC (mg/l)

1500 – 20000

6000

80 – 60

COD (mg/l)

3000 – 90000

18000

1000 – 5000

Chất rắn hòa tan (mg/l)

10000 - 55000

10000

1200

200 – 2000

500

100 – 400

Nitơ hữu cơ (mg/l)

10 – 800

200

80 – 120

Tổng photpho (mg/l)

5 – 100

30

5 – 10

pH

4,5 – 7,5

6

6,6 – 9,0

Clorua (mg/l)

200 – 5000

500

100 – 400

Độ cứng theo CaCO3 (mg/l)

300 – 25000

3500

200 - 500

Tổng chất rắn lơ lửng (mg/l)

Qua Bảng 1.1 cho thấy, với thời gian hoạt động khác nhau thì đặc tính nước
rỉrác thay đổi rất lớn. Ban đầu, khi BCL mới hoạt động (dưới 2 năm), hàm lượng
chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng là rất lớn. Tuy nhiên sau khoảng thời gian dài hoạt
động (trên 10 năm) thì phần lớn lượng chất hữu cơ đã bị phân hủy bởi vi sinh vật,
vì vậy hàm lượng chất hữu cơ giảm đi đáng kể.
Khi tuổi củaBCL tăng, quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ gần
nhưđã chuyển hóa thành CH4 và CO2 dẫn đến giá trị COD ở mức thấp hơn và tỷ
lệ BOD5/COD <0,3 [14]

HVTH: Nguyễn Đức Anh

6


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Mặc dù mỗi quốc gia có quy trình vận hành BCL khác nhau, nhưng nhìn
chung thành phần nước rỉ rác chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố chính như sau:
- Chất thải được đưa vào chôn lấp: loại chất thải, thành phần chất thải và tỷ
trọng chất thải.
- Quy trình vận hành BCL: quá trình xử lý sơ bộ và chiều sâu chôn lấp.
- Thời gian vận hành bãi chôn lấp.
- Điều kiện khí hậu: độ ẩm và nhiệt độ không khí.
- Điều kiện quản lý chất thải.
Các yếu tố trên ảnh hưởng rất nhiều đến đặc tính nước rỉ rác, đặc biệt là
thời gian vận hành BCL, yếu tố này sẽ quyết định tính chất nước rỉ rác chẳng hạn
như nước rỉ rác cũ hay mới, sự tích lũy các chất hữu cơ khó hoặc không có khả
năng phân hủy sinh học nhiều hay ít. Thành phần đặc trưng của nước rỉ rác ở một
số nước trên thế giới được trình bày cụ thể trong Bảng1.2 vàBảng 1.3.
Bảng 1.2. Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á[4]
Thành phần

Đơn vị

Thái Lan

Hàn Quốc

BCL
pathumthani

Sukdowop
NRR 1 năm

Sukdowop
NRR 12 năm

-

7,8 – 8,7

5,8

8,2

Độ dẫn điện

µS/cm

19400-23900

-

-

COD

mgO2/l

4119 – 4480

12500

2000

BOD5

mgO2/l

750 – 850

7000

500

SS

mg/l

141 – 410

400

20

N-NH3

mg/l

1764 – 2128

200

1800

N-Org

mg/l

300 – 600

-

-

Phospho
tổng

mg/l

25 – 34

-

-

Cl-

mg/l

3200 – 3700

4500

4500

Zn

mg/l

0,873-1,267

-

-

Cd

mg/l

-

-

-

Pd

mg/l

0,09-0,330

-

-

Cu

mg/l

0,1-0,157

-

-

pH

HVTH: Nguyễn Đức Anh

7


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Cr
Độ kiềm

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

mg/l

0,495-0,657

-

-

mgCaCO3/l

-

2000

10000

mg/l

56-2518

VFA

(Nguồn: Kwanrutai Nakwan, 2002)
Bảng 1.3. Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia khác trên thế giới[4]
Colombia
Thành

Đơn vị

phần

Pereira (5 năm
vận hành)

Canada

Đức

Clover Bar
(vận hành

BCL CTR đô
thị

1975)

-

7,2 – 8,3

8,3

-

COD

mgO2/l

4350 – 65000

1090

2500

BOD5

mgO2/l

1560 – 48000

39

230

NH4

mg/l

200 – 3800

455

1100

TKN

mg/l

-

-

920

TS

mg/l

7990-89100

-

-

SS

mg/l

190-27800

-

-

DS

mg/l

7800-61300

-

-

Phospho
tổng

mg/l

2-35

-

Độ kiềm

mgCaCO3/l

3050-8540

4030

-

Ca

mg/l

-

-

200

Mg

mg/l

-

-

150

Na

mg/l

-

-

1150

pH

-

(Nguồn: Diego Paredes, 2003)
Thành phần nước rỉ rác ở một số BCL rác thảiở Việt Nam được thể hiện
trong Bảng 1.4, Bảng 1.5, Bảng 1.6, Bảng 1.7, Bảng 1.8.
Bảng1.4. Thành phần nước rỉ rác của BCL Phước Hiệp – Thành phố Hồ Chí Minh[4]
Đơn vị

Giá trị

-

7,4

mg/l

1324

COD

mgO2/l

2720

BOD5

mgO2/l

660

N-NH3

mg/l

1184

Chỉ tiêu
pH
Nitơ tổng

HVTH: Nguyễn Đức Anh

8


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Phospho tổng

17 – 25

mg/l

(Nguồn: CENTEMA 02/2007)
Bảng 1.5. Thành phần nước rỉ rác của BCL Gò Cát – Thành phố Hồ Chí Minh[4]
Đơn vị

Giá trị

-

7,6

TDS

mg/l

19200

SS

mg/l

2044

COD

mg/l

9501

BOD5

mg/l

4155

Nitơ tổng

mg/l

1568

Phospho tổng

mg/l

5,6

Thông số
pH

(Nguồn: CENTEMA 08/2006)
Bảng 1.6. Thông số nước rỉ rác lưu chứa tại hồ chứa và ô chôn lấp số 9
của bãi rác Nam Sơn – Hà Nội
TT

Đơn vị

Chỉ tiêu

Hồ sinh học - 06/2015

Ô số 9 - 06/2015

8

8,25

307

352

Nâu sẫm

Nâu sẫm

1

pH

-

2

TSS

mg/l

3

Màu

Cảm quan

4

Màu

Pt/Co

2400

2450

5

COD

mg/l

1018

1100

6

BOD5

mg/l

185

203

7

N-NH4+

mg/l

525

485

8

T-N

mg/l

621

655

Đơn vị lấy mẫu: Công ty cổ phần khoáng sản Minh Đức
Đơn vị phân tích: Viện hóa học, Viện khoa học và công nghệ Việt Nam
Bảng 1.7. Thông số nước rỉ rác tươi và lưu chứa tại ô chôn lấp số 9
của bãi rác Nam Sơn
TT

Chỉ tiêu

Đơn vị

Nƣớc rỉ rác tƣơi 14/8/2015

Ô số 9 - 14/8/2015

1

COD

mg/l

4640

2720

2

BOD5

mg/l

2960

950

3

Màu

Cảm quan

Nâu sẫm

Nâu sẫm

4

SS

mg/l

2170

220

mg/l

1587

450

5

N-NH4

+

HVTH: Nguyễn Đức Anh

9


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

6

T-P

mg/l

24,2

7,3

7

T-N

mg/l

1914

815

8

TOC

mg/l

5154

463

9

pH

10

-

7,28

8,15

-

mg/l

2045

1492

2-

mg/l

560,7

132,73

Cl

11

SO4

12

Ca

mg/l

359,84

65,18

13

Mg

mg/l

226,06

173,3

14

Fe

mg/l

42,71

3,68

15

Độ cứng

mgCaCO3/l

1829

876

Đơn vị lấy mẫu: Công ty cổ phần khoáng sản Minh Đức
Đơn vị phân tích: Viện công nghệ môi trường, Viện khoa học và công nghệ Việt
Nam
Bảng 1.8. Nước rỉ rác bãi chôn lấp Nam Sơn theo thời gian
TT

Chỉ tiêu

Đơn vị

Nƣớc rỉ rác mới
≤24h

Nƣớc rỉ rác cũ
(1-3 năm)

1

pH

-

4,89 – 6,41

7,81 – 7,89

2

TDS

mgCaCO3/l

7300 – 16200

6040 – 14145

3

Độ cứng tổng

mg/l

5833 – 9677

1260 – 1867

4

SS

mg/l

1760 – 4311

169 – 243

5

COD

mg/l

38533 – 65333

1079 – 2507

6

BOD5

mg/l

30000 – 48000

200 – 735

7

T-P

mg/l

55,8 – 89,6

4,7 – 10,1

8

T-N

mg/l

977 – 1800

515 – 1877

9

Nito dạng NH3

mg/l

781 – 1764

512 – 1874

10

Nito hữu cơ

mg/l

196 – 470

3 – 4,8

11

SO42-

mg/l

1400 – 1590

7,5 – 14

12

Cl-

13

Ca

mg/l

3960 – 4500

7,5 – 14

2+

mg/l

1670 – 2739

60 – 80

2+

14

Mg

mg/l

404 – 687

297 – 381

15

Pb

mg/l

0,32 – 1,9

-

16

Ln

mg/l

93 – 202

-

17

Al

mg/l

0,04 – 0,5

-

18

Mn

mg/l

14,5 – 32,7

-

HVTH: Nguyễn Đức Anh

10

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

19
20
21
22

Ni
Tổng Cr

6+

Cu
Fe

2+

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

mg/l

2,21 – 8,02

-

mg/l

0,04 – 0,05

-

mg/l

3,5 – 4,0

-

mg/l

204 – 208

4,5 – 6,4

(Nguồn: Công ty Môi trường đô thị Hà Nội – URENCO 2014)
Tuy đặc điểm và công nghệ vận hành BCL khác nhau ở mỗi khu vực nhưng
nước rỉ rác nhìn chung đều có đặc điểm giống nhau là có nồng độ COD, BOD5
cao (có thể lên đến hàng chục ngàn mgO2/l) đối với nước rỉ rác mới[16].
Khả năng phân hủy sinh học của nước rỉ rác thay đổi theo thời gian, dễ
phân hủy trong giai đoạn đầu vận hành BCL và khó phân hủy khi BCL đi vào
giai đoạn hoạt động ổn định. Sự thay đổi này có thể được biểu thị qua tỷ lệ
BOD5/COD, trong thời gian đầu tỷ lệ này có thể lên đến 80%, với tỷ lệ
BOD5/COD lớn hơn 0,4 chứng tỏ các chất hữu cơ trong nước rỉ rác có khả năng
phân hủy sinh học, còn đối với các bãi chôn lấp cũ tỷ lệ này thường rất thấp nằm
trong khoảng 0,05 – 0,2; tỷ lệ thấp như vậy do nước rỉ rác cũ chứa các hợp chất
lignin, axít humic và axít fulvic là những chất khó phân hủy sinh học[14].
Qua các số liệu trong Bảng1.6, Bảng1.7 cho thấy nước rỉ rác của ô chôn lấp
số 9 bãi chôn lấp Nam Sơn có đặc điểm sau:
- Theo thời gian hàm lượng các chất gây ô nhiễm (hữu cơ, amoni) trong

nước rỉ rác giảm đáng kể.
- Nước rỉ rác đang lưu chứa tại hồ sinh học và ô chôn lấp số 9 có thành
phần ô nhiễm chất hữu cơ (COD, BOD5), Nitơ thấp so với nước rỉ rác mới (nước
rỉ rác tươi).
- pH không có tính axit (luôn lớn hơn 8), đặc biệt tỉ lệ BOD5/COD thấp
(<0,3), cho thấy trong nước rỉ rác tồn đọng này có chứa nhiều thành phần hữu cơ
khó bị phân hủy sinh học.
- Màu sẫm đậm của NRR là do các chất hữu cơ khó bị phân hủy như lignin,
axit humic, fulvic còn tồn đọng.
Qua Bảng 1.8 ta thấy NRR của bãi rác Nam Sơn có:
- Thành phần các chất ô nhiễm hữu cơ, đặc trưng bởi chỉ số BOD5 và COD
rất cao. NRR mới có giá trị COD rất cao (38533 – 65333mg/l), tỷ số BOD5/COD
cũng cao (>0,6) cho thấy NRR này có chứa nhiều thành phần hữu cơ dễ bị phân
HVTH: Nguyễn Đức Anh

11


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

hủy sinh học. Ngược lại, đối với NRR cũ lại có COD không cao (1079 –
2507mg/l), tỉ số BOD5/COD cũng thấp (<0,3), điều đó cho thấy NRR cũ chứa
nhiều thành phần hữu cơ khó hoặc không có khả năng phân hủy sinh học.
- Thành phần các chất vô cơ, đặc biệt là Amoniac nằm dưới dạng Amoni có
hàm lượng rất cao và ít bị biến đổi theo thời gian. Đây là thành phần vô cơ ít bị
biến đổi nhất trong NRR.
- Theo thời gian hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong NRR giảm đáng kể.
Cùng với thời gian chôn lấp rác, thành phần hữu cơ trong nước rỉ rác giảm dần,

nhưng tỉ lệ thành phần chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học lại tăng lên.
1.2Các phƣơng phápcơ bảntrong xử lý nƣớc rỉ rác
1.2.1 Phƣơng pháp xử lý cơ học
Các công trình xử lý cơ học được áp dụng rộng rãi là: song chắn hoặc lưới
chắn rác, thiết bị nghiền rác, bể điều hoà, khuấy trộn, bể lắng. Mỗi công trình
được áp dụng đối với từng nhiệm vụ cụ thể.
- Ưu điểm:
+ Đơn giản, dễ sử dụng và quản lý.
+ Rẻ tiền, các thiết bị dễ kiếm.
+ Hiệu quả xử lý sơ bộ nước thải tốt.
- Nhược điểm:
+ Chỉ hiệu quả đối với các chất không tan.
+ Không tạo được kết tủa đối với các chất lơ lửng.
1.2.2 Phƣơng pháp xử lý hoá học
Phương pháp hoá học sử dụng các phản ứng hoá học để xử lý nước thải.Các
công trình xử lý hoá học thường kết hợp với các công trình xử lý lý học. Các
phương pháp hóa học thường được áp dụng là: trung hòa, khử trùng, oxi hóa bậc
cao.
- Ưu điểm:
+ Các hoá chất dễ kiếm.
+ Dễ sử dụng và quản lý.
+ Không gian xử lý nhỏ.
HVTH: Nguyễn Đức Anh

12


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

- Nhược điểm:
+ Chi phí hoá chất cao.
+ Có khả năng tạo ra một số chất ô nhiễm thứ cấp
1.2.3Phƣơng pháp xử lý hóa – lý
Phương pháp này dùng để tách các chất hữu cơ, các tạp chất bằng cách
cho hóa chất vào nước thải để xử lý.Các quá trình hóa lý diễn ra giữa các chất
bẩn với hóa chất cho thêm vào. Các công trình xử lý hóa – lý thường được sử
dụng là: hấp phụ, keo tụ, tuyển nổi, trao đổi ion, tách bằng màng.
- Ưu điểm:
+ Tạo được kết tủa với các chất lơ lửng.
+ Loại bỏ được các tạp chất nhẹ hơn nước.
+ Đơn giản, dễ sử dụng.
- Nhược điểm:
+ Chí phí hóa chất cao (đối với một số trường hợp).
+ Không hiệu quả với các chất hòa tan.
1.2.4 Phƣơng pháp xử lý sinh học
Nguyên lý của phương pháp này là dựa vào hoạt động sống của các loài vi
sinh vật sử dụng các chất có trong nước thải như phospho, nitơ và các nguyên tố
vi lượng làm nguồn dinh dưỡng để phân huỷ các chất hữu cơ có mạch cacbon dài
thành các phân tử đơn giản hơn và sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O (hiếu khí);
CH4 và CO2 (kị khí). Quá trình xử lý sinh học có thể được thực hiện trong 2 điều
kiện hiếu khí hoặc kị khí[5,6].
- Ưu điểm:
+ Hiệu quả cao, ổn định về tính sinh học.
+ Nguồn nguyên liệu dễ kiếm, hầu như là có sẵn trong tự nhiên.
+ Thân thiện với môi trường.
+ Chi phí xử lý thấp.
+ Ít tốn điện năng và hoá chất.
+ Thường không gây ra chất ô nhiễm thứ cấp.

HVTH: Nguyễn Đức Anh

13


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

- Nhược điểm:
+ Thời gian xử lý lâu và phải hoạt động liên tục,chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ,
ánh sáng, pH, DO, hàm lượng các chất dinh dưỡng, các chất độc hại khác.
+ Chịu ảnh hưởng nhiều của điều kiện thời tiết, do đó việc vận hành và
quản lý khó khăn.
+ Hiệu quả xử lý không cao khi trong nước thải chứa nhiều thành phần khác
nhau.
+ Hạn chế khi thành phần nước đầu vào biến động trong một dải rộng.
+ Yêu cầu diện tích khá lớn để xây dựng các công trình.
+ Phương pháp này hạn chế đối với nước thải có độc tính với VSV.

HVTH: Nguyễn Đức Anh

14


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

CHƢƠNG 2:NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC BẰNG QUÁ

TRÌNHFENTON QUANG HÓA KẾT HỢP VỚI CÔNG NGHỆ MBBR
2.1 Tổng quan về quá trình Fenton
2.1.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình Fenton
Hơn 100 năm trước, vào năm 1894 tác giả J.H.Fenton đã công bố công trình
nghiên cứu của mình trong tạp chí Hội hoá học Mỹ; trong đó ông đã quan sát
thấy phản ứng oxi hoá axít malic bằng hydrogen peroxide đã được gia tăng mạnh
khi có mặt các ion Fe2+(Fenton H.J.H, 1894; Walling C, 1975)[17]. Sau đó tổ
hợp H2O2 và muối Fe2+ được sử dụng làm tác nhân oxy hoá rất hiệu quả cho
nhiều đối tượng rộng rãi các hợp chất hữu cơ và được mang tên là “tác nhân
Fenton”.
Hệ tác nhân Fenton là một hỗn hợp gồm các ion sắt hoá trị II (thường là
FeSO4) và hydrogen peroxide[21], chúng tác dụng với nhau sinh ra gốc tự do
(OH*) là gốc oxi hoá mạnh (OH* + H+ + e → H2O Eo=2,76mV). Các gốc tự do
này sẽ oxi hoá các chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học có trong nước thải tạo
thành những chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học hơn hoặc đưa về sản phẩm tận
cùng là CO2 và H2O. Fe2+ bị oxi hoá thành Fe3+ sau đó Fe2+ mất đi sẽ được tái
sinh lại nhờ phản ứng giữa Fe3+ và H2O2 dư theo phương trình[21]:
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH* + OH-(1)
Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + H+ + HO2*(2)

k1 = 76(l/mol.s)

k2 = < 3.10-3(l/mol.s)

Các gốc OH* sinh ra có khả năng tác dụng với các chất hữu cơ ở điều kiện
nhiệt độ và áp suất bình thường.
Ion Fe2+ mất đi do bị oxi hoá thành Fe3+ theo phương trình (1) sẽ được tái
sinh lại nhờ phản ứng giữa Fe3+ và H2O2 theo phương trình (2). Gốc OH*sinh ra
thực hiện các phản ứng [19]:
OH*+ Fe2+ → OH + Fe3+ (3) k3 = 3.10-8(l/mol.s)

OH*+ H2O2 → H2O + HO2*
OH*+ RH → R* + H2O

(4) k4= 3,3.10-7(l/mol.s)
(5) k5 = 107÷ 1010(l/mol.s)

Ngoài ra sự tái sinh lại Fe2+ còn có thể thông qua các phản ứng (6), (7)
Fe3+ + HO2* → Fe2+ + O2 + H+(6)
Fe3+ + R*→ Fe2+ + R+(7)
HVTH: Nguyễn Đức Anh

15


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Như vậy gốc OH*sinh ra trong phản ứng Fenton sẽ tác dụng với các chất
hữu cơ và phân huỷ chúng thành các chất đơn giản hơn hoặc phân huỷ chúng đến
sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O.
Các gốc hydroxyl tạo ra theo phản ứng (1) sẽ oxi hoá các chất ô nhiễm theo
phản ứng (5). Các quá trình oxi hoá này có thể xẩy ra theo các cơ chế sau:
 Cơ chế phản ứng cộng-gốc hydroxyl phản ứng với các hợp chất không no,
các hợp chất béo hay các hợp chất thơm để hình thành các gốc tự do tương
ứng
OH*+ C6H6 → (HO)C6H6*

(8)

 Cơ chế phản ứng dehydro hoá:
OH*+ CH3OH → CH2OH* + H2O

(9)

 Cơ chế phản ứng trao đổi electron:
OH*+ [Fe(CN)6]4- → [Fe(CN)6]3- + OH-

(10)

 Cơ chế phản ứng tương tác gốc hydroxyl với các gốc tự do khác tạo thành
các sản phẩm:
OH*+ HO* → H2O2

(11)

Trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ, hiệu quả của quá trình Fenton sẽ phụ
thuộc vào lượng OH*tạo thành nhờ phản ứng (1).
Đặc tính chung của gốc tự do là trung hòa về điện trong khi các ion đều
mang điện tích dương hoặc âm. Gốc tự do được tạo thành từ sự tách ra hai phần
bằng nhau của liên kết hai electron, ví dụ như khi quang phân H2O2 (tức là sử
dụng năng lượng photon UV) sẽ thu được hai gốc tự doOH* (gọi tắt là gốc OH*)
như sau:
H2O2 + hγ → OH* + HO*(1.1)
Mỗi gốc OH*đều không mang điện. Ký hiệu * cho biết là gốc tự do và biểu
thị một electron lẻ đôi. Gốc tự do này không tồn tại có sẵn như những tác nhân
oxy hóa thông thường mà chỉ sản sinh ngay trong quá trình phản ứng, có thời
gian sống rất ngắn khoảng vài phần nghìn giây nhưng liên tục được sinh ra và
mất đi trong suốt quá trình phản ứng.
Khả năng oxy hóa của các chất hoặc tác nhân oxy hóa trong đó có gốc

OH thường được biểu thị bằng thế oxy hóa khử so sánh với thế điện cực hydro
*

HVTH: Nguyễn Đức Anh

16


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

(bằng 0 V). Mỗi tác nhân oxy hóa đều có một thế oxy hóa khác nhau và đại
lượng này dùng để so sánh khả năng oxy hóa mạnh hay yếu của chúng. Thế oxy
hóa của một số tác nhân oxy hóa điển hình được sắp xếp theo thứ tự sau: Gốc
hydroxyl (2,8V)> Ozon (2,07V) > hydro peroxit (1,78V) > Pemangannat
(1,68V) > Clo dioxit (1,57V)> axit hypocloric (1,49V) > Clo (1,36V) > Brom
(1,09V) > Iot (0,54V) [12].
Như vậy thế oxy hóa của gốc OH*là cao nhất trong số các tác nhân oxy hóa
thường gặp. Nếu so với Clo, thế oxy hóa của OH*cao gấp 2,05 lần và cao gấp
1,52 lần so với thế oxy hóa của ôzôn.
2.1.2Phân loại quá trình Fenton
Quá trình Fenton gồm có một số dạng sau đây:
- Quá trình Fenton đồng thể
- Quá trình Fenton dị thể
- Quá trình quang Fenton
2.1.2.1 Quá trình Fenton đồng thể
a. Phản ứng tạo gốc OH*trong quá trình Fenton đồng thể
Hệ tác nhân Fenton đồng thể là một hỗn hợp gồm các ion sắt hóa trị IIở
dạng dung dịch (thường là FeSO4) và dung dịch H2O2. Chúng phản ứng với nhau

sinh ra gốc tự do OH*, còn ion Fe2+ bị oxy hóa thành ion Fe3+[12].
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH*+ OH- (1.2)
Phản ứng này được gọi là phản ứng Fenton vì nhà hóa học Anh Henry
Fenton là người đầu tiên mô tả quá trình này vào năm 1894.
Những phản ứng có thể xảy ra trong quá trình Fenton và hằng số tốc độ các
phản ứng đã được nhiều tác giả xác định như bảng 2.1[13, 15, 28].
Bảng 2.1. Các phản ứng có thể xảy ra trong quá trình Fenton
Phƣơng trình phản ứng

Hằng số tốc độ phản ứng k
(l.mol-1.s-1)

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH*+ OH-(1.3)

63

Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + *O2H + H+(1.4)

≤ 3.10-3

OH*+ Fe2+ → Fe3+ + OH-(1.5)

3.108

HVTH: Nguyễn Đức Anh

17


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

OH*+ H2O2 → H2O + *O2(1.6)

3,3.107

Fe2+ + *HO2 → Fe3+ + HO2-(1.7)

1,2.106

Fe3+ + *HO2 → Fe2+ + O2 + H+(1.8)

2.103

Những phản ứng trên chứng tỏ sắt đóng vai trò là chất xúc tác. Quá trình
khử Fe3+ thành Fe2+ như mô tả trong phản ứng (1.4) xảy ra rất chậm, hằng số tốc
độ k rất nhỏ so với phản ứng (1.3), vì vậy sắt tồn tại sau phản ứng chỉ ở dạng
Fe3+.
b. Các yếu tố ảnh hưởng tới động học phản ứng Fenton đồng thể
Các yếu tố ảnh hưởng tới động học phản ứng Fenton đồng thể là pH, nồng
độ của H2O2 và tỷ lệ H2O2/Fe2+, ngoài ra còn chịu ảnh hưởng của các anion vô
cơ, nhiệt độ dung dịch.
- pH: Trong phản ứng Fenton, pH của hệ phản ứng ảnh hưởng rất lớn đến
độ phân hủy và nồng độ Fe2+, từ đó ảnh hưởng rất lớn tới tốc độ phản ứng và
hiệu quả phân hủy chất hữu cơ[30]. Môi trường axít rất thuận lợi cho quá trình
tạo gốc OH*(theo phản ứng (1.3) bảng 2.1). Trong khi đó ở môi trường pH cao,
quá trình kết tủa Fe3+ xảy ra nhanh hơn quá trình khử của phản ứng (1.4) làm
giảm nguồn tạo ra Fe2+ và nó sẽ hạn chế tốc độ phản ứng. Nói chung phản ứng
Fenton xảy ra thuận lợi khi pH từ 3 – 5 và đạt tốc độ cao nhất khi pH nằm trong

khoảng hẹp trên dưới 3 [28].
- Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 và tỷ lệ H2O2/Fe2+: Tốc độ phản ứng tăng
khi tăng nồng độ H2O2, đồng thời nồng độ của H2O2 lại phụ thuộc vào nồng độ
chất ô nhiễm cần xử lý[20].
Tỷ lệ Fe2+/H2O2 có ảnh hưởng đến sự tạo thành và sự tiêu hao gốc hydroxyl
theo các phương trình (1.5) và (1.6), vì thế tồn tại một tỷ lệ Fe2+/H2O2 tối ưu khi
sử dụng. Tỷ lệ tối ưu này nằm trong khoảng rộng, tùytheo đối tượng chất cần xử
lý và do đó cần phải xác định bằng thực nghiệm khi áp dụng vào từng đối tượng
cụ thể.
- Các anion vô cơ: Một số anion vô cơ như CO32-, HCO3-, Cl- có thể làm
giảm hiệu quả của quá trình Fenton vì tác động làm giảm nồng độ gốc OH* theo
các phản ứng sau đây[12]:
OH* + HCO3- → *CO3- + H2O k = 1,5.107 M-1s-1(1.9)
OH* + CO32- → *CO3- + OH- k= 4,2.108 M-1s-1(1.10)
HVTH: Nguyễn Đức Anh

18


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

OH* + Cl- → *ClOH- k= 4,3.109 M-1s-1(1.11)
- Nhiệt độ dung dịch: Tốc độ phản ứng Fenton tăng cùng với sự gia tăng
nhiệt độ, nhất là khi nhiệt độ nhỏ hơn 200C. Tuy nhiên, khi nhiệt độ lớn trên
khoảng 40-500C, hiệu suất sử dụng của H2O2 giảm do sự phân hủy H2O2 tăng
(tạo thành oxy và nước). Hầu hết các ứng dụng của phản ứng Fenton xảy ra ở
nhiệt độ 20-400C [3]
2.1.2.2Quá trình Fenton dị thể

Hệ tác nhân Fenton dị thể là một hỗn hợp gồm các ion sắt hóa trị II ở dạng
rắn và dung dịch H2O2.
Nhược điểm chủ yếu của quá trình Fenton đồng thể là phải thực hiện ở pH
thấp(2vôi hoặc dung dịch kiềm nhằm chuyển các ion Fe3+vừa hình thành từ chuỗi phản
ứng trên sang dạng keo Fe(OH)3 kết tủa. Lượng kết tủa này được tách khỏi nước
nhờ quá trình lắng hoặc lọc, kết quả là tạo ra một lượng bùn sắt kết tủa khá lớn.
Để khắc phục nhược điểm trên, đã có nhiều công trình nghiên cứu thay thế xúc
tác sắt dạng dung dịch (muối sắt) bằng quặng sắt Goethite (α-FeOOH), cát có
chứa sắt hoặc sắt trên các loại chất mang khác nhau như Fe/SiO2, Fe/TiO2,
Fe/than hoạt tính, Fe/Zeolite (Lin và Gurol, 1996; Ravikumar và Gurol, 1994)…
Quá trình này xảy ra cũng giống như quá trình Fenton đã đề cập ở trên nên gọi là
quá trình Fenton dị thể.
Cơ chế quá trình Fenton dị thể xảy ra với H2O2 trên quặng sắt loại Goethite
(α-FeOOH) có thể xảy ra theo cơ chế đơn giản nhất như sau[27]:
Phản ứng Fenton được khởi đầu bằng việc sinh ra Fe2+ nhờ sự có mặt của
H2O2 xảy ra hiện tượng khử - hòa tan Goethite:
α-FeOOH(r) + 2H+ + 1/2H2O2

→

Fe2+ + 1/2 O2 + 2H2O (1.12)

Sau đó, xảy ra sự tái kết tủa Fe3+ về Goethite:
Fe2+ + H2O2→ Fe3+ + OH* + OH-(1.13)
Fe3+ + H2O + OH- → α-FeOOH + 2H+(1.14)
Theo cơ chế trên, trên khía cạnh nào đó thì quá trình dị thể cũng tương tự
như quá trình Fenton đồng thể với khởi đầu là xảy ra sự khử và hòa tan Fe2+ vào
dung dịch.

HVTH: Nguyễn Đức Anh

19