nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố thủ dầu một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao điện cực inox 304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm

Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN................................................................................................................... i
ABSTRACT .................................................................................................................. iii
MỤC LỤC ...................................................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................... viii
MỞ DẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1
2. Mục tiêu của đồ án .................................................................................................... 2
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 2
4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI THANH PHỐ THỦ DẦU MỘT VÀ
PHƯƠNG PHAP XỬ LÝ NƯỚC THẢI......................................................................... 4
1.1 Tổng quan về hiện trạng và chất lượng nước thải sinh hoạt của thành phố Thủ Dầu
Một ................................................................................................................................ 4
1.1.1 Tổng quan về hiện trạng chất lượng nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu
Một ............................................................................................................................ 4
1.1.2 Hiện trạng mạng lưới thu gom nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một . 5
1.2 Các phương pháp xử lý nước thải ........................................................................... 5
1.2.1 Phương pháp cơ học......................................................................................... 5
1.2.2 Phương pháp hóa lý ......................................................................................... 6
1.2.3 Phương pháp sinh học ...................................................................................... 7
1.2.4 Ứng dụng tái sử dụng nước sau xử lý phục vụ cho đô thị và công nghiệp trên
thế giới ...................................................................................................................... 9
1.3. Giới thiệu về phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ oxy hóa nâng cao .. 11
1.3.1 Định nghĩa ...................................................................................................... 11

1.3.2 Phân loại......................................................................................................... 12
1.3.3 Tình hình nghiên cứu, áp dụng các quá trình oxi hóa hiện nay ..................... 14
SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

iv


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

1.3.4 Cơ sở lý thuyết quá trình fenton .................................................................... 14
1.3.5 Cơ sở lý thuyết quá trình peroxon ................................................................. 16
1.4 Giới thiệu về phương pháp keo tụ điện hóa trong xử lý nước thải ....................... 17
1.4.1 Khái niệm điện hóa ........................................................................................ 17
1.4.2 Nguyên lý hoạt động ...................................................................................... 17
1.5 Giới thiệu phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp ozone trong xử lý nước thải..... 19
CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................. 20
2.1 Mô hình nghiên cứu và cơ sở lý thuyết ................................................................. 20
2.1.1 Mô hình tổng thể ............................................................................................ 20
2.1.1 Mô hình thực tế .............................................................................................. 20
2.2 Quy trình vận hành và thí nghiệm ......................................................................... 22
2.2.1 Nước đầu vào ................................................................................................. 22
2.2.2 Thí nghiệm ..................................................................................................... 23
2.3 Phương pháp phân tích .......................................................................................... 24
2.4 Phương pháp tính toán & xử lý số liệu.................................................................. 25
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 28
3.1 Hiệu quả xử lý COD .............................................................................................. 28
3.2 Chênh lệch của pH trong quá trình........................................................................ 33

3.3 Hiệu quả xử lý độ đục ........................................................................................... 35
3.4 Hiệu quả xử lý tổng chất rắn lơ lửng (TSS) .......................................................... 36
3.5 Hiệu quả xử lý độ màu .......................................................................................... 38
3.6 Lựa chọn khoảng cách điện cực ............................................................................ 42
3.7 Điện năng tiêu thụ ................................................................................................. 43
3.8 So sánh với các mô hình nghiên cứu khác ............................................................ 44
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 47
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 47

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

v


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Khả năng oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa ............................................ 12
Bảng 1.2 Các quá trình oxy hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng ..................... 13
Bảng 1.3 Các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng ................................. 13
Bảng 2.1 Thông số ô nhiễm của nước thải sau bể lắng cát ........................................... 22
Bảng 2.2 Phương thức thí nghiêm ................................................................................. 24
Bảng 2.3 Các thông số và phương pháp phân tích ........................................................ 24

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

vi


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ tổng thể ............................................................................... 20
Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ mô hình nghiên cứu ............................................................ 21
Hình 3.1 Nồng độ COD đầu vào và ra với thời gian lắng 15 phút ................................28
Hình 3.2 Nồng độ COD đầu vào và ra với thời gian lắng 30 phút ................................29
Hình 3. 3 Nồng độ COD đầu vào và ra với thời gian lắng 45 phút ...............................30
Hình 3.4 Hiệu suất xử lý COD qua các lần sục khí ozone và lắng ...............................30
Hình 3.5 Biểu đồ biến thiên COD qua các lần lấy mẫu lúc 9 giờ .................................31
Hình 3.6 Biểu đồ biến thiên COD qua các lần lấy mẫu lúc 12 giờ ...............................32
Hình 3.7 Biểu đồ biến thiên COD qua các lần lấy mẫu lúc 15 giờ ...............................32
Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian sục ozone ở thời gian lắng 15 phút đến pH ...........34
Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian sục ozone ở thời gian lắng 30 phút đến pH ..........34
Hình 3.10 Ảnh hưởng của thời gian sục ozone ở thời gian lắng 45 phút đến pH .........35
Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian sục ozone ở thời gian lắng 15 phút đến độ đục ...36
Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian sục ozone ở thời gian lắng 30 phút đến độ đục ...36
Hình 3.13 Ảnh hưởng của thời gian sục ozone ở thời gian lắng 45 phút đến độ đục ...37
Hình 3.14 Ảnh hưởng của thời gian sục ozone ở thời gian lắng 15 phút đến TSS .......38
Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian sục ozone ở thời gian lắng 45 phút đến TSS .......39
Hình 3.16 Ảnh hưởng của thời gian sục ozone ở thời gian lắng 30 phút đến TSS .......39
Hình 3.17 Ảnh hưởng của thời gian sục ozone ở thời gian lắng 15 phút đến độ màu ..40
Hình 3.18 Ảnh hưởng của thời gian sục ozone ở thời gian lắng 30 phút đến độ màu ..41
Hình 3. 19 Ảnh hưởng của thời gian sục ozone ở thời gian lắng 45 phút đến độ màu .41

Hình 3.20 Kết quả loại bỏ COD trong nước thải ứng với các khoảng cách điện cực trong
thời gian sục ozone 15’ kết hợp điện hóa 25’................................................................42
Hình 3.21 Hiệu suất xử lý COD (%) của mô hình xử lý nước thải thủy sản bằng phương
pháp điện hóa .................................................................................................................44
Hình 3.22 Hiệu suất xử lý COD (%) của mô hình xử lý nước thải sinh hoạt thành phố
Thủ Dầu Một bằng phương pháp điện hóa kết hợp ozone ............................................45

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

vii


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
BTNMT

Bộ Tài nguyên Môi trường

COD

Chemical Oxygen Demand

BOD

Biochemical Oxygen Demand

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

UPVC

Polyvinyl chloride

HDPE

High-density polyethylene

MF

Microfiltration

RO

Reverse Osmosis

NF

Nanofiltration

Pt/Co

Platinum-Cobalt

NTU

Nephelometric Turbidity Unit

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

viii


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Là trung tâm tỉnh lỵ, những năm gần đây, TP.Thủ Dầu Một có tốc độ đô thị hóa, công
nghiệp hóa nhanh. Điểm nhấn thúc đẩy tiến trình này là sự thay đổi rất lớn về diện mạo
đô thị cũng như chuyển dịch cơ cấu kinh tế. Chính vì lẽ đó, dân số cũng tăng và áp lực
môi trường đang là vấn đề mà TP.Thủ Dầu Một đang tập trung giải quyết, trong đó hiện
trạng môi trường nước là đáng báo động.
Theo đánh giá sơ bộ của Phòng Tài nguyên và Môi trường (TN&MT) thành phố, không
chỉ chất lượng nguồn nước mặt, mà nước dưới đất cũng đang ô nhiễm nghiêm trọng.
Nguyên nhân là do nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp thải thẳng ra kênh rạch.
Một số hộ gia đình còn xây dựng nhà vệ sinh không đúng cách, đào hầm tự hoại… làm
cho nước dưới đất đã ô nhiễm ngày càng báo động nhiều hơn.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ để đáp ứng trước những thách thức ngày
càng cao của môi trường, các nhà khoa học và công nghệ đã tiến hành nhiều công trình
nghiên cứu theo hướng tìm các công nghệ cao để hỗ trợ cho các công nghệ truyền thống.
Các công nghệ cao thường gặp là: công nghệ lọc bằng màng, công nghệ khử trùng nước
bằng bức xạ tử ngoại và công nghệ khoáng hóa chất ô nhiễm hữu cơ bằng quá trình oxy
hóa nâng cao. Trong số đó, công nghệ dựa vào quá trình oxy hóa nâng cao là công nghệ

được nghiên cứu và áp dụng nhiều nhất trong thời gian gần đây. Các quá trình oxi hóa
nâng cao được định nghĩa là những quá trình phân hủy oxi hóa dựa vào gốc tự do hoạt
động hydroxyl OH* được tạo ra tại chỗ ngay trong quá trình xử lý. Gốc hydroxyl là một
trong những tác nhân oxi hóa mạnh nhất được biết từ trước đến nay, có khả năng phân
hủy không chọn lựa mọi hợp chất hữu cơ, dù là loại khó phân hủy nhất, biến chúng thành
các hợp chất vô cơ (còn gọi là khoáng hóa) không độc hại như CO2, H2O, các acid vô
cơ…Từ các tác nhân oxi hóa thông thường như hydrogen peroxide, Ozone… có thể
nâng cao khả năng oxi hóa của chúng bằng các phản ứng khác nhau để tạo ra gốc
hydroxyl, thực hiện quá trình oxi hóa gián tiếp thông qua gốc hydroxyl. Ngoài ra, công
nghệ keo tụ điện hóa (EC) cũng đang dần dần áp dụng vào việc xử lý nước thải khi nhu
cầu về chất lượng nước uống đang gia tăng và các quy định về môi trường liên quan đến
nguồn nước xả thải ngày càng nghiêm ngặt. Vì thế ngày nay phương pháp keo tụ điện
hóa ngày càng phát triển vì phương pháp này hoàn toàn thân thiện với hệ sinh thái với
hiệu quả xử lý cao và tốt hơn các phương pháp khác.
Vì tính ưu việt và tầm quan trọng của hai công nghệ tiên tiến này mà ta có thể kết hợp
hai phương pháp này với nhau để xử lý nước đạt hiệu quả tốt hơn. “Nghiên cứu xử lý
nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao điện
SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

1


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

cực inox 304 quy mô phòng thí nghiệm” được hình thành và sẽ giải quyết được phần
nào nỗi lo tái ô nhiễm của dòng kênh này cũng như làm cơ sở để nghiên cứu khả năng
tái sử dụng nguồn nước khi áp dụng công nghệ xử lý tiên tiến này.

2. MỤC TIÊU CỦA ĐỒ ÁN
Thực hiện, đánh giá hiệu quả xử lý của phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt thành
phố Thủ Dầu Một bằng công nghệ oxy hóa nâng cao nhằm tìm kiếm giải pháp xử lý
nước thải mới, góp phần cải thiện chất lượng môi trường.
3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng là mẫu nước thật được lấy trực tiếp từ nhà đầu vào xí nghiệp nước thải Thủ
Dầu Một, thí nghiệm theo mẻ trên mô hình quy mô phòng thí nghiệm.
Phạm vi nghiên cứu là trong phạm vi nghiêm cứu của đề tài, đề tài tập trung nghiên cứu
hiệu quả xử lý của phương pháp điện hóa trên quy mô phòng thí nghiệm.
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Đọc tài liệu
Thu thập tài liệu có liên quan mật thiết đến các công trình đã nghiên cứu trong và ngoài
nước, tìm hiểu những vấn đề còn tồn tại, những vấn đề cần tập trung nghiên cứu, tính
toán thiết kế mô hình thí nghiệm.
- Thiết lập mô hình thí nghiệm
Tiến hành lắp ráp và bố trí mô hình thí nghiệm keo tụ điện hóa kết hợp ozone dựa trên
cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu. Thực hiện thí nghiệm, nghiên cứu thực tế xử lý quy mô
phòng thí nghiệm.
- Thực hiện thí nghiệm
Chạy mô hình thí nghiệm để hệ thống hoạt động ổn định và phát huy hiệu quả xử lý,
đồng thời tìm ra nguyên nhân và điều chỉnh các sai sót trong quá trình thiết lập mô hình.
- Thu mẫu phân tích
Lấy mẫu và tiến hành thực hiện thí nghiệm phân tích để có số liệu nhằm phân tích và
đánh giá số liệu.
- Đánh giá kết quả
Mẫu nước được phân tích và đánh giá kết quả để xác định phương pháp xử lý đạt hiệu
quả.
- Phân tích số liệu và viết báo cáo thí nghiệm

SVTH: Nguyễn Thành Lộc

GVHD: TS Thái Phương Vũ

2


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

Số liệu sau khi được tổng hợp thì bắt đầu tiến hành phân tích, biễu diễn, so sánh bằng
các phầm mềm phân tích, tính toán để người đọc có thể dễ dàng hiểu rõ đề tài nghiên
cứu, thấy rõ hiệu quả của mô hình khi được chạy tại các điều kiện khác nhau cũng như
điều kiện tối ưu khi áp dụng phương pháp vào mô hình thực tế. Bài nghiên cứu sẽ được
trình bày dưới dạng văn bản một cách khoa học, logic và trung thực để báo cáo và trình
bày trước hội đồng.

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

3


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI THÀNH PHỐ THỦ DẦU MỘT VÀ
PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI
1.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH TRẠNG VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC THẢI SINH

HOẠT CỦA THÀNH PHỐ THỦ DẦU MỘT
1.1.1 Tổng quan về hiện trạng chất lượng nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu
Một
Thành Phố Thủ Dầu Một hiện có 6 khu công nghiệp, thu hút 258 doanh nghiệp
đi vào hoạt động. Tổng lưu lượng nước thải phát sinh là 10.781m3/ngày, tăng khoảng 3
lần so với năm 2010 (3.540m3). Bên cạnh đó, các cơ sở, doanh nghiệp đang hoạt động
sản xuất ngoài khu công nghiệp còn thải ra nước thải với lưu lượng tối đa
18.912m3/ngày, nâng tổng lưu lượng nước thải công nghiệp phát sinh trên địa bàn lên
29.693m3/ngày. Tại các khu dân cư, nguồn nước thải phát sinh khoảng 28.621m3/ngày
đêm. Với lượng nước thải phát sinh lớn như vậy nếu không có biện pháp thu gom xử lý
hợp lý, đây sẽ là nguyên nhân làm suy giảm chất lượng nước mặt trên địa bàn thành phố.
Đã vậy, trên địa bàn thành phố hiện có 7 bệnh viện, bao gồm công lập và ngoài
công lập, 1 trung tâm y tế, 14 trạm y tế và 5 phòng khám đa khoa ngoài công lập đang
hoạt động với tổng số 1.670 giường bệnh. Hoạt động của các cơ sở này đều làm phát
sinh nước thải với lưu lượng khoảng 757m3/ngày đêm. Nước thải chăn nuôi cũng khá
lớn, nếu không được thu gom, xử lý, đây là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm
môi trường nước mặt trên địa bàn thành phố.
Trong nhũng năm qua, cùng với quá trình đô thị hóa diễn ra tốc độ nhanh thì cũng
làm gia tăng nhanh lượng nước thải đô thị. Tổng lượng nước thải đô thị phát sinh trên
địa bàn tỉnh hiện nay ước tính khoảng 142.816 m3/ ngày.đêm, tăng gấp 2,7 lần so với
năm 2010.
Nhận thức được vấn đề ô nhiễm nước thải đô thị đáng báo động, thời gian qua,
tỉnh Bình Dương đã tập trung triển khai thực hiện công trình thoát nước và xử lý nước
thải đô thị. Hệ thống xử lý nước thải thành phố Thủ Dầu Một với công suất xử lý 17.600
m3/ngày.đêm trong giai đoạn 1 đã được đua vào hoạt động từ cuối năm 2013; hệ thống
xử lý nước thải thị xã Thuận An đang được triển khai thi công; hệ thống xử lý nước thải
thị xã Dĩ An đang được triển khai dự án; nhiều khu dân cư, khu thương mại mới đã dầu
tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải, góp phần nâng tỉ lệ mức thải đô thị hiện nay được
thu gom, xử lý lên 25%.

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

4


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều đô thị trên địa bàn tỉnh hỉện nay chưa tách riêng hệ
thống thoát nước mưa và nước thải, chưa có hệ thống thu gom và xử lý nước thải,
khoảng 75% nước thải đô thị chỉ xử lý sơ bộ qua bể tự hoại rồi thải ra môi trường, tiếp
tục gây ô nhiễm môi trường nước mặt. Kết quả quan trắc cho thấy, chất lượng nước
trên một số kênh, rạch khu vực thị xã Thuận An, Dĩ An và thành phố Thủ Dầu Một
vẫn còn bị ô nhiễm nặng hàm lượng hữu cơ và dinh dưỡng.
Như vậy, với tình hình phát triển đô thị và khu dân cư trên địa bàn tỉnh như hiện
nay, vấn đề ô nhiễm do nước thải đô thị là một trong những nguyên nhân lớn dẫn đến
gây ô nhiễm môi trường nước mặt các kênh, rạch.
1.1.2 Hiện trạng mạng lưới thu gom nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một
Đây là một hệ thống thoát nước riêng biệt (tách riêng nước mưa), thu gom trực
tiếp (không cần qua hầm tự hoại), phía trước nhà mỗi hộ dân được lắp một hố ga để đấu
nối nước thải sinh hoạt (nước tắm, nước rửa thực phẩm, nước và phân từ nhà cầu) của
hộ gia đình vào hố ga này và nước thải theo hệ thống thu gom chuyển về nhà máy xử lý
nước thải sinh hoạt tập trung để xử lý. Hệ thống thu gom này không lẫn nước mưa và
dễ dàng kiểm soát được mùi hôi, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho đơn vị quản lý
theo dõi, kiểm tra và bảo trì. Vật liệu chính của hệ thống ống nhựa làm từ nhựa UPVC,
HDPE với khả năng chống ăn mòn cao.
Mạng lưới thu gom nước thải có tất cả 14 trạm bơm nâng và trạm bơm chuyển
tiếp để phục vụ công tác vận chuyển nước thải sinh hoạt từ mạng lưới thu gom về nhà

máy xử lý nước thải với tổng chiều dài đường ống là 175km trên diện tích 1000 ha ở nội
ô thành phố Thủ Dầu Một. Hệ thống thoát nước bao gồm có tuyến cống chính (tuyến
cống cấp 1) thu nhận nước thải từ cống cấp 2 hoặc 3 sau đó dẫn về nhà máy xử lý, có
đường kính từ D500- D1350 với tổng chiều dài 16 km. Tuyến cống nhánh cấp 2 thu
nhận nước thải từ tuyến cống nhánh cấp 3 sau đó đổ vào tuyến cống chính, có đường
kính từ D100-D150 với tổng chiều dài 104 km. Có 14 trạm bơm nâng và trạm bơm
chuyển tiếp để phục vụ công tác vận chuyển nước thải sinh hoạt từ mạng lưới thu gom
về nhà máy xử lý nước thải.
Trạm bơm nâng và trạm bơm chuyển tiếp được xây dựng tại những vị trí tuyến
cống thu gom đặt quá sâu, ở những khu vực thấp nước không thể tự chảy vào tuyến cống
và về nhà máy xử lý nước được.
1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI
1.2.1 Phương pháp cơ học
Phương pháp xử lý cơ học thường là giai đoạn đầu tiên trong dây chuyền công
nghệ xử lý nước thải (giai đoạn tiền xử lý), có nhiệm vụ loại ra khỏi nước thải tất cả các
SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

5


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

vật có thể gây tắc nghẽn đường ống, làm hư hại máy bơm và làm giảm hiệu quả xử lý
cho các giai đoạn sau, cụ thể:
- Loại bỏ hoặc cắt nhỏ những vật nổi lơ lửng có kích thước lớn trong nước
thải như mảnh gỗ, nhựa, gạc bông, giẻ rách, vỏ hoa quả…
- Loại bỏ cặn nặng như cát, sỏi, mảnh thủy tinh, mảnh kim loại…

- Loại bỏ phần lớn dầu mỡ.
a. Song chắn rác, lưới chắn rác
Làm nhiệm vụ giữ lại các tạp chất thô (chủ yếu là rác) có trong nước thải.
b. Bể lắng cát
Tách các chất bẩn vô cơ có trọng lượng riêng lớn hơn nhiều so với trọng lượng
riêng của nước thải như xỉ, than, cát, … ra khỏi nước thải.
c. Bể lắng
Làm nhiệm vụ giữ lại các tạp chất lắng và các tạp chất nổi chứa trong nước thải.
Để xử lý nước thải của một dạng công nghiệp, sử dụng một số loại công trình đặc biệt
như bể vớt mỡ, bể vớt dầu… và để loại bỏ các tạp chất nhỏ không hòa tan trong nước
thải công nghiệp cũng như khi cần xử lý ở mức độ cao có thể ứng dụng bể lọc, lọc cát…
1.2.2 Phương pháp hóa lý
Trong dây chuyền công nghệ xử lý, công đoạn xử lý hóa lý thường được áp dụng
sau công đoạn xử lý cơ học. Thực chất của phương pháp xử lý hóa lý là áp dụng các quá
trình vật lý và hóa học để loại bớt các chất ô nhiễm mà không thể dùng quá trình lắng ra
khỏi nước thải. Phương pháp xử lý hóa lý bao gồm các phương pháp hấp phụ, trao đổi
ion, tuyển nổi, keo tụ, oxy hóa-khử…Phương pháp hóa lý được sử dụng để loại khỏi
dịch thải các hạt lơ lửng phân tán, các chất hữu cơ và vô cơ hòa tan, có một số ưu điểm
như:
- Không cần theo dõi các hoạt động của vi sinh vật.
- Có thể thu hồi các chất khác nhau.
a. Keo tụ
Là quá trình dính kết các hạt keo chứa trong nước thải do chuyển động nhiệt, do
xáo trộn và kết quả của quá trình này là từ các hạt keo rất bé tạo nên tổ hợp có kích
thước lớn hơn và dễ dàng lắng xuống đáy. Các chất keo tụ thường được ứng dụng trong
xử lý nước thải là phèn nhôm (Al2(SO4)3.18H2O) và phèn sắt (FeSO4.7H2O).

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

6


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

b. Tuyển nổi
Là quá trình dính bám phân tử của các hạt chất bẩn đối với bề mặt phân chia của
hai pha: khí - nước và hình thành hỗn hợp "hạt rắn -bọt khí" nổi lên trên mặt nước và
sau đó được loại bỏ đi.
c. Hấp phụ
Là quá trình thu hút hay tập trung các chất bẩn trong nước thải lên bề mặt của
chất hấp phụ. Các chất hấp phụ thông dụng trong kỹ thuật xử lý nước thải bao gồm: than
hoạt tính, than xương, đất hoạt tính (bentonit), silicagel, nhựa tổng hợp có khả năng trao
đổi ion.
d. Trao đổi ion
Thường được ứng dụng để xử lý các kim loại nặng có trong nước thải bằng cách
cho nước thải chứa kim loại nặng đi qua cột nhựa trao đổi cation, khi đó các cation kim
loại nặng được được thay thế bằng các ion hydro (hoặc Na+) của nhựa trao đổi. Khử kim
loại nặng trong nước thải bằng phương pháp trao đổi ion cho ta nước thải đầu ra có chất
lượng rất cao.
1.2.3 Phương pháp sinh học
Phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học được ứng dụng để xử lý
các chất hữu cơ hoà tan có trong nước thải cũng như một số chất ô nhiễm vô cơ khác
như H2S, sunfit, ammonia, nitơ… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ
chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm
thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Có 2 phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ
sinh học:
a. Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí

Phương pháp này sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện
cung cấp oxy liên tục. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá
trình oxy hoá sinh hoá. Tốc độ quá trình oxy hoá sinh hoá phụ thuộc vào nồng độ chất
hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống
xử lý. Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếu khí có thể xảy ra ở điều kiện
tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các công trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều hiện tối
ưu cho quá trình oxy hoá sinh hoá nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu suất cao hơn rất
nhiều. Tuỳ theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khí nhân
tạo có thể chia thành:
- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu được sử
dụng khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làm thoáng, bể phản
SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

7


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân huỷ hiếu khí. Trong số những quá trình
này, quá trình bùn hoạt tính hiếu khí (Aerotank) là quá trình phổ biến nhất.
- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình
bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng nitrate
hoá với màng cố định.
b. Phương pháp xử lý sinh học kị khí
Phương pháp này sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện
không có oxy. Quá trình phân huỷ kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hoá phức tạp
tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Một cách tổng quát, quá

trình phân huỷ kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:
- Thủy phân: Trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra, các
phức chất và các chất không tan (polysaccharides, protein, lipid) chuyển hóa thành
các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (đường, các amino acid, acid béo). Quá trình
này xảy ra chậm. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ
phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm.
- Acid hóa: Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành
chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3,
H2S và sinh khối mới. Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4.
- Acetic hoá: Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành
acetate, H2, CO2 và sinh khối mới.
- Methane hóa: Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân huỷ kỵ khí. Acetic, H2, CO2,
acid fomic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới. Trong 3
giai đoạn thuỷ phân, acid hóa và acetic hóa, CO2 hầu như không giảm, CO2 chỉ giảm
trong giai đoạn methane.
Tóm lại, bản chất của xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học là phân huỷ các
chất ô nhiễm hữu cơ nhờ vi sinh vật. Tuỳ thuộc vào bản chất cung cấp không khí, các
phương pháp phân huỷ sinh học có thể phân loại xử lý hiếu khí hoặc kỵ khí. Để đạt được
hiệu quả phân huỷ sinh học các chất ô nhiễm hữu cơ cao cần bổ sung các chất dinh
dưỡng cần thiết như nitơ, phốt pho và có thể một vài nguyên tố hiếm.
1.2.4 Ứng dụng tái sử dụng nước sau xử lý phục vụ cho đô thị và công nghiệp trên
thế giới
a. Bỉ
Bỉ là một trong các quốc gia trong cộng đồng Châu Âu có trữ lượng nước ngọt
trên đầu người thấp nhất (200m3/người/năm). Sử dụng nước tái sinh cho công nghiệp và
phát triển nhanh, đặc biệt các nha máy nhiệ điện và các chế biến thực phẩm. Một dự án
SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

8

Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

tái sử dụng nước ăn uống gián tiếp ở Bỉ đã minh chứng tính hiệu quả kinh tế và giải
pháp thân thiên với môi trường. Hệ thống tái sinh không chỉ cung cấp tăng cường trữ
lượng nước, mà còn hạn chế sự xâm nhập mặn của nước biển vào tầng nước ngẩm.
Trong tram xử lý nước sinh hoạt Wulpen, công suất 2,5 triệu m3/năm, ứng dụng công
nghệ MF-RO, trữ được 1-2 tháng trong tầng nước và sau đó sử dụng cho hệ thống cấp
nước ăn uống và công nghiệp.
b. Jordan
Nghiên cứu đánh giá tiềm năng tái sử dụng nước công nghiệp ở trạm nhiệt điện
Al Hussein (HTPS), Jordan do Mousa S.Mohsen thực hiện năm 2004. Đây là nhà máy
nhiệt điện lớn nhất Jodan. Nguồn nước thô cung cấp cho nhà máy được lấy từ 5 giếng
khoan với lưu lượng tổng cộng là 100m3/h, trong đó 20m3/h được sử dụng làm mát và
sau khi sử dụng sẽ đi vào hệ thống xử lý nước thải (10m3/h). Hệ thống xử lý gồm nước
thải bao gồm bể điều hòa và bể tách dầu mỡ sau đó nước đầu ra sử dụng để tưới cây vào
mùa khô. Nước thô ban đầu (55m3/h) đi vào hệ thống xử lý nước thô gồm 2 giai đoạn là
lọc RO 2 bậc và trao đổi ion để cung cấp nước cho lò hơi. Nước lò hơi sau đó tuần hoàn
trở lại hệ thống xử lý nước thô tiếp tục cung cấp cho lò hơi.
c. Tây Ban Nha
Nước phục hồi vài tái sử dụng là mục tiêu quan trọng của chương trình quản lý
tài nguyên nước cho thành phố Vitoria, Tây Ban Nha (dân số 250.000 người, tọa lạc tại
tỉnh Basque, miền Bắc Tây Ban Nha được bắt đầu từ năm 1995. Với sự nhiệt tình và
quan tâm của các bên liên quan và thực trạng của nông nghiệp hiện tại, quá trình thiết
kế xây dựng được đẩy mạnh và vân hành nhà máy phục hồi và tái sinh nước thải là một
nhân tố quan trọng cho việc ứng dụng vào thực tế của chương trình này. Nhà máy tái
sinh nước ở phía Nam Barcelona đã cung cấp khoảng 50 triệu m3/năm phục vụ cho tưới

tiêu ở các nông trại và cung cấp nước cho các vùng ngập nước trong vùng châu thổ sông
Llobregat. Để đạt được chất lượng cho mục đích, hệ thống sinh học hiện hữu được cải
thiện thêm các chất dinh dưỡng (nitơ, photpho) và xây dựng phương án xử lý bậc III với
công nghệ RO. Một trạm bơm và một hệ thống ống cần xây dựng để vận chuyển nước
đến các vùng sử dụng khác nhau và một đường ống khác để vận chuyển nước tới giêng
phân phối (sâu 60m) để bơm nước tái sinh, tái nạp tầng nước ngầm.
Các đô thị của Portbou (Girona, Tây Ban Nha- dân số khoảng 1.600 người), tọa
lạc tại một vùng hẻo lánh thuộc Bắc Costa Brava, nằm giữa khu vực với rất nhiều đồi
núi và hướng ra biển Địa Trung Hải. Một hồ chứa nước nhỏ, nằm trên đỉnh núi phía Tây
của thành phố với sức chứa 130.000m3, cung cấp nước ăn uống cho khu vực. Nhu cầu
nước ăn uống khoảng 160.000m3/năm và nước cấp ăn uống phụ thuộc rất nhiều vào
lượng mưa. Thành phố có nhà máy tái sinh nước thải công nghiệp công suất 360m3/ngày
SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

9


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

với quy mô công nghệ như sau: keo tụ-tạo bông, lọc trực tiếp và kết hợp UV- Chlorine
trong hệ thống khử trùng để cung cấp nước đã được phục hồi cho nhiều khu vực thành
thị với mục đích khác nhau như tưới tiêu, rửa đường và chữa cháy…Hệ thống cũng được
thiết kế với mạng lưới ống dẫn nước phục hồi có chất lượng cao dùng để làm sạch thuyền
bè ở gần khu vực các biển.
d. Thái Lan
Các hoạt động công nghiệp phát triển ngày càng cao dẫn đến khai thác nguồn
nước quá mức và xả thải một lượng đáng kể chất bẩn vào môi trường ở Thái Lan. Vì

vậy, việc xác định tiềm năng tái sử dụng nước thải là một chiến lược quan trọng trong
quản lý tổng thể nước ở Thái Lan. Việc thực hiện sản xuất sạch hơn và các công nghệ
tiến tiến như công nghệ màng có thể hỗ trợ thục hiện các dự án tái sử dụng nước ở Thái
Lan. Nghiên cứu điển hình được thực hiện tại nhà máy sản xuất đường công suất 22.000
tấn đường/ngày ở phía Đông Bắc Thái Lan. Công nghệ đưa ra áp dụng gồm trao đổi ion
để khử màu và một hệ thống màng lọc xử lý bổ sung gồm 3 bậc : lọc MF, lọc NF và lọc
RO để tái sử dụng trong nhà máy. Nước sau lọc RO có chất lượng tương đương với nước
uống, có thể làm mát hoặc làm nước sản xuất.
e. Singapore
Singapore là một nước có dân số phát triển nhanh với 4 triệu người. Mặc dù quốc
đảo này tiếp nhận một lượng mưa lớn trung bình 250 cm/năm nhưng nguồn nước vẫn bị
giới hạn do diện tích nhỏ (680 km2). Đảo quốc này có một cơ sở hạ tầng xử lý nước thải
rất hoàn thiện với 6 trạm xử lý bậc 2 (xử lý bằng bùn hoạt tính) dùng xử lý nước thải
trước khi xả ra biển. Từ tháng 02/2003, Singapore đã cung cấp nước tái chế có chất
lượng cao (đạt được tiêu chuẩn ăn uống) gọi là ‘NEWater’ để cấp trực tiếp cho công
nghiệp, thương mại và các cao ốc văn phòng sử dụng trong các quy trình sản xuất cho
các mục đích không uống được như đều hòa không khí và làm lạnh. Mục tiêu là đến
năm 2011 cung cấp 245.000m3/ngày nước NEWater cho các mục đích không phục vụ
ăn uống. NEWater được tái chế từ nước thải đô thị thông qua phương pháp xử lý bằng
các kỹ thuật bậc cao bao gồm lọc thẩm thấu ngược (RO) và khử trùng bằng tia UV. Từ
tháng 02/2003, khoảng 9.000m3/ ngày NEWater được thải vào các hồ chứa và xử lý lại
một lần nữa bằng các phương pháo xử lý truyền thống trước khi đưa vào vào hệ thống
phân phối nước để sinh hoạt trong gia đình. Lượng nước tái chế gián tiếp sử dụng cho
mục đích ăn uống sẽ tăng dần hằng năm khoảng 4.500m3/ngày và đạt giá trị
45.000m3/ngày khi đến năm 2011. Hiện tại, hai trạm xử lý nước NEWater đang vận
hành với tổng công suất là 72.000m3/ngày. Chi phí để sản xuất nước NEWater được ước
tính là bằng một nửa chi phí để xử lý khử muối từ nước biển. Nước tái chế có chất lượng
thấp hơn NEWater sẽ được cung cấp cho công nghiệp ở bộ phận phía Tây Singapore từ
SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

10


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

thập niên 60. Xử lý nước tái chế phục vụ cho công nghiệp liên quan đến các quá trình
như lọc cát truyền thống và khử trùng trước khi bơm đến hồ chứa để phân phối đến các
khu công nghiệp với công suất khoảng 90.000m3/ngày.
1.3. GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÔNG
NGHỆ OXY HÓA NÂNG CAO
1.3.1 Định nghĩa
Các quá trình oxy hóa nâng cao là những quá trình phân hủy oxy hóa dựa vào
gốc tự do hoạt động hydroxyl *HO được tạo ra ngay trong quá trình xử lý.
Gốc hydroxyl *HO là một tác nhân oxy hóa mạnh nhất trong số các tác nhân oxy
hóa được biết từ trước đến nay, có khả năng phân hủy oxy hóa không chọn lựa mọi hợp
chất hữu cơ, dù là loại khó phân hủy nhất, biến chúng thành những hợp chất vô cơ (còn
gọi là khoáng hóa) không độc hại như CO2, H2O, axit vô cơ…Từ những tác nhân oxy
hóa thông thường như hydrogen, peroxyt, ozon có khả năng nâng cao khả năng oxy hóa
của chúng bằng các phản ứng hóa học khác nhau để tạo ra hydroxyl, vì vậy các quá trình
này được gọi là oxy hóa nâng cao.
Thế oxy hóa của gốc hydroxyl *HO là 2,8V, cao nhất trong số các tác nhân oxy
hóa thường gặp. Thế oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa thường gặp được trình bảy ở
bảng 1.1.

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

11


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

Bảng 1.1 Khả năng oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa
Tác nhân oxy hóa

Thế oxy hóa (V)

Gốc hydroxyl

2,80

Ozone

2,07

Hydrogen peroxyt

1,78

Permanganat

1,68

Hydrobromic axit

1,59

Clo dioxyt

1,57

Hypocloric axit

1,49

Hypoiodic acid

1,45

Clo

1,36

Brom

1,09

Iod

0,54
(Nguồn: Zhou, H. and Smith, D.H., 2001)

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 oxy 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.
1.3.2 Phân loại
Theo cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (USEPA), dựa theo đặc tính của quá trình
có hay không có sử dụng nguồn năng lượng bức xạ tử ngoại UV mà có thể phân loại các
quá trình oxy hóa nâng cao thành hai nhóm:
-

Các quá trình oxy hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng

Các quá trình oxy hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng là các quá trình
không nhờ năng lượng bức xạ tia cực tím UV trong quá trình phản ứng và chúng được
liệt kê ở bảng 1.2

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

12


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

Bảng 1.2 Các quá trình oxy hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng
STT

Tác nhân phản ứng
2+

1

H2O2 và Fe

2

H2O2 và O3

Phản ứng đặc trưng

Tên quá trình

H2O2 + Fe2+
Fe3+ +
OH- + *HO

Fenton

H2O2 + 2O3 → 2*HO +
3O2

Peroxon

cxt

3

O3 và các chất xúc tác

4

H2O và năng lượng
điện hóa

5

H2O và năng lượng
siêu âm

nldh

H2O
H 2O

nldh

2*HO

Oxy hóa điện hóa

*HO + *H
*HO + *H

Siêu âm

H2O

nlc

*HO + *H

( 1-10 Mev)
-

Catazon

(20- 40 kHz)

H2O và năng lượng cao

6

3O3 + H2O
+ 4O2

Bức xạ năng lượng
cao

Các quá trình oxy hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng

Các quá trình oxy hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng là các quá trình nhờ năng
lượng bức xạ tia cực tím UV, bao gồm các quá trình được trình bày ở bảng 1.3:
Bảng 1.3 Các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng
STT

Tác nhân phản ứng

1

H2O2 và năng lượng
photon UV

2

O3 và năng lượng
photon UV

3

H2O2/O3 và năng
lượng photon UV

4

H2O2/Fe3+ và năng
lượng photon UV

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

Phản ứng đặc trưng
H2O2

hv

2*HO

(  = 220 nm)
O3 + H2O

hv

UV/H2O2

2*HO

(  = 253,7 nm)
H2O2 +O3 + H2O
O2

Tên quá
trình

hv

UV/O3

4*HO +
UV/H2O2+ O3

(  = 253,7 nm)

Fe3++H2O
Fe2+ + H2O2

hv

*HO +Fe2++ H+
Fe3++ OH- +*HO

Quang

Fenton

13


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.
hv

TiO2
5

TiO2 và năng lượng
photon UV

hv

e - + h+

(  > 387,5 nm)
h+ + H2O

hv

*HO + H+

h+ + OH-

hv

*HO + H+

Quang xúc
tác bán dẫn

1.3.3 Tình hình nghiên cứu, áp dụng các quá trình oxi hóa hiện nay
Nhờ ưu thế nổi bật trong việc loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt là những chất
hữu cơ khó phân hủy sinh học (POP) quá trình oxi hóa nâng cao dựa trên gốc tự do *HO
được xem như một “chìa khóa vàng” để giải các bài toán đầy thách thức của thế kỷ cho
ngành xử lý nước và nước thải hiện nay. Đó là lý do tại sao ngày nay các quá trình AOP
còn được mệnh danh là các quá trình xử lý nước của thế kỷ 21.
1.3.4 Cơ sở lý thuyết quá trình fenton
Năm 1894 trong tạp chí Hội hóa học Mỹ đã công bố công trình nghiên cứu của
J.H.Fenton, trong đó ông quan sát thấy phản ứng oxy hóa axit malic bằng H2O2 đã được
gia tăng mạnh khi có mặt các ion sắt. Sau đó, tổ hợp H2O2 và muối sắt Fe2+ được sử dụng
làm tác nhân oxy hóa rất hiệu quả cho nhiều đối tượng rộng rãi các chất hữu cơ và được
mang tên “tác nhân Fenton” (Fenton Reagent).
Cơ chế:
Hệ tác nhân Fenton đồng thể (Fenton cổ điển) là một hỗn hợp gồm các ion sắt hóa trị
II và H2O2, chúng tác dụng với nhau sinh ra các gốc tự do *HO, còn Fe2+ bị oxi hóa
thành Fe3+.
Fe2+ + H2O2

Fe3+ + *HO + OH- (k = 63 l.mol-1.s-1) (2.1)

Phản ứng này được gọi là phản ứng Fenton vì Fenton là người đầu tiên đã mô tả quá
trình này năm 1894.
Những ion Fe2+ mất đi sẽ được tái sinh lại nhờ Fe3+ tác dụng với H2O2 dư theo phản
ứng:

Fe3+ + H2O2

Fe2+ + H+ + *HO2. (k < 3.10-3 l.mol-1.s-1) (2.2)

Từ những phản ứng trên chứng tỏ tác dụng của sắt đóng vai trò là chất xúc tác.
Quá trình khử Fe3+ thành Fe2+ xảy ra rất chậm, hằng số tốc độ phản ứng rất nhỏ so với
phản ứng (2.1), vì vậy sắt tồn tại sau phản ứng chủ yếu ở dạng Fe3+.
Thông thường khi áp dụng vào xử lý nước và nước thải, quá trình Fenton đồng
thể gồm 4 giai đoạn:
1. Điều chỉnh pH phù hợp
SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

14


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

Phản ứng Fenton đồng thể xảy ra thuận lợi khi pH < 4.
2. Phản ứng oxy hóa
Trong giai đoạn phản ứng oxi hóa xảy ra sự hình thành gốc *HO hoạt tính và
phản ứng oxi hóa chất hữu cơ. Gốc *HO sau khi hình thành sẽ tham gia vào phản ứng
ôxi hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước cần xử lý. Phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ
diễn ra như sau:
H2O + X- + CO2 + H+

RHX + H2O2

RHX: hợp chất hữu cơ
X: đại diện cho halide (chất gồm halogen và nguyên tố hay gốc khác)
Nếu hợp chất không có halogen thì phản ứng chỉ tạo ra CO2 và H2O. Ngoài ra,
gốc *HO còn có khả năng 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-

3. Trung hòa và keo tụ
Sau khi xảy ra quá trình oxy 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.
4. 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.
a. Các yếu tố ảnh hưởng
- Độ pH
- Tỷ lệ Fe2+: H2O2 và loại ion Fe (Fe2+ hay Fe3+)
- Các anion vô cơ
b. Ưu điểm
Việc lựa chọn quá trình Fenton vào nghiên cứu xử lý nước, nước thải là nhờ
những ưu điểm sau:

- Các tác nhân H2O2 và các muối sắt II tương đối rẻ và có sẵn, đồng thời không
SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

15


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

độc hại, dễ vận chuyển, dễ sử dụng.
- Hiệu quả oxi hóa được nâng cao rất nhiều so với H2O2 sử dụng một mình. Áp
dụng quá trình Fenton để xử lý nước và nước thải sẽ dẫn đến khoáng hóa hoàn toàn
các chất hữu cơ thành CO2, H2O và các iôn vô cơ,...hoặc phân hủy từng phần, chuyển
các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học thành các chất mới có khả năng phân hủy sinh
học nhờ vào tác nhân hydroxyl *HO được sinh ra trong quá trình phản ứng.
- Tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình xử lý sinh học tiếp sau.
- Nâng cao hiệu quả xử lý của toàn bộ hệ thống.
- Do tác dụng oxy hóa cực mạnh của *HO so với các tác nhân diệt khuẩn truyền
thống (các hợp chất của clo) nên ngoài khả năng tiêu diệt triệt để các vi khuẩn thông
thường, chúng còn có thể tiêu diệt các tế bào vi khuẩn và virus gây bệnh mà clo không
thể diệt nổi.
1.3.5 Cơ sở lý thuyết quá trình peroxon
Quá trình oxy hóa của Ozone với sự có mặt của hydrogen peroxit (O3/H2O2) được
gọi là quá trình Peroxon hoặc PerOzone.
a. Cơ chế
Sự khác nhau cơ bản giữa hai quá trình Ozone và Peroxon là ở chỗ, quá trình
Ozone thực hiện quá trình oxi hóa các chất ô nhiễm chủ yếu trực tiếp bằng phân tử
Ozone trong nước trong khi đó quá trình Peroxon thực hiện sự oxi hóa các chất ô nhiễm

chủ yếu là gián tiếp thông qua gốc hydroxyl được tạo ra từ Ozone.
Sự có mặt của H2O2 được xem như làm tác dụng khơi mào cho sự phân hủy O3
thông qua ion hydroperoxit HO2- được mô tả trong các phương trình sau:
H2O2  HO2- + H+
HO2- + O3

*O3- + *HO2

b. Các yếu tố ảnh hưởng
Độ pH và độ kiềm
Tỷ lệ H2O2/O3
Ảnh hưởng của các ion vô cơ
c. Ưu điểm
-

Việc lựa chọn quá trình Peroxon vào nghiên cứu xử lý nước, nước thải là nhờ
những ưu điểm sau:
-

Dễ thực hiện, thao tác đơn giản, ít tốn hóa chất.

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

16


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

- Hiệu quả oxi hóa được nâng cao rất nhiều so với Ozone sử dụng một mình. Áp
dụng quá trình Peroxon để xử lý nước và nước thải sẽ dẫn đến khoáng hóa hoàn toàn
các chất hữu cơ thành CO2, H2O và các ion vô cơ,...hoặc phân hủy từng phần, chuyển
các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học thành các chất mới có khả năng phân hủy
sinh học nhờ vào tác nhân hydroxyl *HO được sinh ra trong quá trình phản ứng.
-

Tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình xử lý sinh học tiếp sau.

- Do tác dụng oxy hóa cực mạnh của *HO so với các tác nhân diệt khuẩn truyền
thống (các hợp chất của clo) nên ngoài khả năng tiêu diệt triệt để các vi khuẩn thông
thường, chúng còn có thể tiêu diệt các tế bào vi khuẩn và virus gây bệnh mà clo
không thể diệt nổi.
-

Tăng hàm lượng DO sau quá trình xử lý.

-

Nước thải sau xử lý không cần chỉnh pH và hàm lượng cặn thấp.

1.4 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI
1.4.1 Khái niệm điện hóa
Điện hóa học là lĩnh vực lý thuyết của hóa học nghiên cứu sự chuyển hóa tương
hỗ giữa hóa năng và điện năng, nghĩa là nghiên cứu mối quan hệ qua lại giữa phản ứng
hóa học và dòng điện.
1.4.2 Nguyên lý hoạt động
Điện cực kim loại: là hệ thống gồm một thanh kim loại nhúng vào dung dịch

muối của nó.
Điện cực kim loại hoạt động theo nguyên lý:
Trong đó, chất khử chính là kim loại làm điện cực.
Ngoài ra, còn một loại điện cực thứ hai mà trong đó cả hai dạng oxi hoá và khử
liên hợp đều ở dạng hoà tan trong dung dịch;
Ví dụ: Mn2+ + 12 H2O = MnO42- + 8 H3O+ + 5e
Trong trường hợp này, người ta nhúng một điện cực trơ (ví dụ: Pt, grafit) vào dung
dịch có chứa đồng thời cả hai dạng oxy hóa và khử liên hợp trên. Điện cực trơ không có
khả năng tan vào dung dịch, nó chỉ có tác dụng chuyển electron. Trong hệ cũng xảy ra
hai quá trình:
- Dạng khử va chạm với điện cực, nhường electron cho điện cực.
- Dạng oxy hóa sẽ nhận electron từ điện cực.
SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

17


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

Khi trạng thái cân bằng thiết lập, trên bề mặt điện cực cũng xuất hiện lớp điện tích
kép. Giá trị của lớp điện tích kép có thể âm hay dương phụ thuộc vào khả năng nhường
nhận electron của cặp oxy hóa - khử và nồng độ của chúng trong dung dịch.
Thế kim loại và thế oxy hóa - khử đều đặc trưng cho khả năng nhường nhận electron
của cặp oxy hóa - khử.
Cơ chế xử lý chất hữu cơ trên điện cực
Oxy hóa xảy ra ở cực dương của điện cực sắt, mỗi nguyên tử sắt trên cực dương
đều bị oxy hóa thành các ion sắt.

Tại cực dương:
Fe → Fe2+ +2eDo đó, các nguyên tử kim loại trong mạng tinh thể đi vào dung dịch như ion, để lại
các electron trên kim loại. Các electron này di chuyển về phía khu cực âm qua kim loại.
Ở các cực âm, các điện tử được hấp thụ bởi các ion hydro. Các ion H+ được lấy từ
nước.
H2O → H+ + OHTại cực âm:
H+ + e- → H
Các nguyên tử hydro trên bề mặt sắt làm giảm oxy hoà tan.
4H + O2→ 2H2O
Do đó, phản ứng tổng thể tại cực âm của các quá trình điện hóa có thể được viết như
sau:
4H+ +O2 + 4e- → 2H2O
2H2O +2e- → H2↑ + OHPhản ứng oxi hóa tổng thể có thể được viết bằng phản ứng nhân ở cực dương và
thêm phản ứng tại cực âm để làm cân bằng số điện tử bị mất và thu được.
Phản ứng tổng thể:
2Fe + 4H+ +O2 → 2Fe2+ + 2H2O
Các ion sắt bị oxy hóa thêm bởi oxy hòa tan trong nước để tạo ra Fe3+
2Fe2+ + 1/2O2 + H2O → 2 Fe3+ + 2OH-

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

18


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

Các ion sắt tạo ra, kết hợp với OH- trong nước tạo ra các phức hợp với quá trình

biến đổi phức tạp FeOH2+,
Biến đổi cuối cùng thành Fe(OH)3↓.
Như vậy cơ chế để xử lý chất hữu cơ là dựa vào phản ứng điện phân tại bề mặt điện
cực, sự hình thành chất keo tụ trong pha nước(Fe3+), các chất ô nhiễm hòa tan và huyền
phù trong nước bám dính vào Fe(OH)3↓ và loại bỏ bằng lắng cặn.
1.5 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA KẾT HỢP OZONE
TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Thông thường, xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học luôn là một lựa chọn tốt
được sử dụng, nhưng đôi khi, sự hiện diện của các chất độc hại hoặc các chất ô nhiễm
khó phân hủy sinh học thì công nghệ này không đủ khả năng để xử lý. Do đó, việc áp
dụng các biện pháp xử lý vật lý/hóa học là rất cần thiết để nâng cao khả năng xử lý và
tăng cường khả năng phân hủy sinh học trong nước thải.
Keo tụ điện hóa đã ra đời như là một công nghệ bậc cao để loại bỏ các chất ô
nhiễm ra khỏi các loại nước thải như: nước thải xi mạ, nước thải công nghiệp, nước dệt
nhuộm, nước thải có keo dính tổng hợp và đặc biệt là nước thải đô thị. Các bài nghiên
cứu trên đã chỉ ra rằng công nghệ này rất hứa hẹn là phương pháp xử xử lý nước thải có
chứa keo và nước thải có chứa dầu mỡ. Sử dụng keo tụ điện tụ hóa có lợi thế rất mạnh
so với việc xử lý hóa học theo cách truyền thống. Tương tự, ozone được sử dụng kết
hợp nhằm tăng khả năng phân hủy sinh học. Tuy nhiên, trong 1 vài nghiên cứu về xử lý
nước thải công nghiệp chỉ ra rằng, tự mình ozone không thể đạt được mức độ loại bỏ
chất ô nhiễm cao. Cụ thể, trong nghiên cứu oxi hóa nước thải từ quá trình lên men mật
bằng ozone[11] thì kết quả xử lý độ màu rất hiệu quả tuy nhiên xử lý chất hữu cơ chưa
cao. Điều này cũng tương tự trong nghiên xử sử dụng ozone để xử lý nước thải dệt
may[12]. Do vậy, việc kết hợp 2 phương pháp keo tụ điện hóa và oxi hóa sử dụng ozone
sẽ cải thiện những điểm yếu kể trên.

SVTH: Nguyễn Thành Lộc
GVHD: TS Thái Phương Vũ

19

Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Thủ Dầu Một bằng phương pháp oxy hóa nâng cao: điện cực inox
304 + ozone quy mô phòng thí nghiệm.

CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mô hình bể keo tụ điện hóa kết hợp sục khí ozone quy mô phòng thí nghiệm được
đặt tại xưởng Cấp Thoát Nước - trường Đại Học Tài Nguyên và Môi Trường TPHCM.
Quá trình phân tích các chỉ tiêu nước được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Môi
Trường, khoa Môi Trường, trường Đại Học Tài Nguyên và Môi Trường TPHCM.
Thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu từ tháng 9/2017 đến tháng 12/2017
Để tiến hành nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình loại bỏ COD, TSS,
Màu, độ đục; mô hình nghiên cứu được đề xuất và thiết kế với các nội dung chính sau:
2.1.1 Mô hình tổng thể
NƯỚC ĐẦU VÀO

BỂ KEO TỤ ĐIỆN
HÓA KẾT HỢP SỤC
OZONE

BỂ LẮNG

NƯỚC ĐẦU RA
Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ tổng thể

2.1.2 Mô hình thực tế
a. Cấu tạo
SVTH: Nguyễn Thành Lộc

GVHD: TS Thái Phương Vũ

20