fenton trong xử lý nước thải

Đánh giá khả năng xử lý
một số loại nước thải của hệ Fenton

GVHD:
HVTH:

PGS. TS. Nguyễn Văn Phước
Phan Châu Đạt
Lê Thị Phương Thu
Lê Thị Thanh Hoa
Bùi Mai Thục Quyên
Nguyễn Minh Tuấn


Mục lục
Phần I: Cơ sở lý thuyết
1. Quá trình Fenton
2. Các quá trình Fenton cải tiến
3. Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton
Phần II: Ứng dụng của phương pháp Fenton
1. Ứng dụng của Fenton trong xử lý nước thải dệt nhuộm
2. Ứng dụng của Fenton trong xử lý nước bề mặt nhiễm
thuốc trừ sâu
3. Ứng dụng của Fenton trong xử lý nước rỉ rác
Phần III: Một số quy trình cơng nghệ
KẾT LUẬN
Tài liệu tham khảo


GIỚI THIỆU VỀ
PHƯƠNG PHÁP FENTON

Q trình Fenton có ưu việt ở chỗ tác nhân
H2O2 và muối sắt tương đối rẻ và có sẵn, đồng
thời khơng độc hại và dễ vận chuyển, dễ sử
dụng trong khi hiệu quả ơxi hóa nâng cao cao
hơn rất nhiều so với chỉ sử dụng H2O2. Áp dụng
quá trình Fenton để xử lý nước và xử lý nước
thải có thể dẫn đến khống hóa hồn tồn các
chất hữu cơ thành CO2, H2O và các ion vô cơ.


PHẦN I :

CƠ SỞ LÝ THUYẾT


I. Q trình Fenton
1. Q trình Fenton đồng thể
Thơng thường quy trình oxi hóa Fenton đồng thể gồm
4 giai đoạn:
• Điều chỉnh pH phù hợp
• Phản ứng oxi hóa
CHC (cao phân tử) +•HO → CHC (thấp phân tử) +CO2 +H2O+
OH-

• Trung hịa và keo tụ
Fe3+ + 3OH- →Fe(OH)3
• Q trình lắng


Cơ chế tạo thành gốc hydroxyl •OH

và động học các phản ứng Fenton
•

Fe2+

+

H 2O 2

→

Fe3+

→
→
→
→
→
→

Fe+
+ •OH + OH–
Fe2+
+ •HO2 + H+
OH + Fe3+
H2O + •HO2
Fe3+ + HO2 Fe2+ + O2 + H+

+ •OH

+

OH–

Các phản ứng khác
• Fe2+
• Fe3+
• •OH
• •OH
• Fe2+
• Fe3+

+
+
+
+
+
+

H 2O 2
H 2O 2
Fe2+
H 2O 2
•HO
2
•HO
2

(1)
(2)

(3)
(4)
(5)
(6)


2. Q trình Fenton dị thể
• Thay thế xúc tác thơng thường bằng quặng sắt
Goethite (α-FeOOH), cát có chứa sắt, hoặc sắt
trên chất mang Fe/SiO2, Fe/TiO2, Fe/than hoạt
tính, Fe/Zeolit…
• Cơ chế quá trình dị thể kiểu như Fenton xảy ra
phản ứng với H2O2 trên quặng sắt loại goethite

•
•

(α-FeOOH) α-FeOOH(s) + 2H+ + ẵ H2O2
+ 1/2O2 +2H2O

FeII
+OHã Fe (III)

+ H2O2
+ H2O+OH-

→
→

Fe

(III)

FeII
+ •HO

α-FeOOH(s) + 2H+


II. Các quá trình Fenton cải tiến
1. Quá trình Fenton điện hóa

•
•
•
•

H2O2 được tạo ra trong q trình điện hóa theo cơ chế:
Ở anốt xảy ra sự oxi hóa nước tạo ra oxi phân tử theo
phương trình :
2H2O -4e →O2 + 4H+
Oxi phân tử bị khử ở catod để tạo thành H2O2 theo
phương trình:
O2 + 2H+ +2e →H2O2
Ion Fe2+ có thể bổ sung vào hệ hoặc có thể tự tạo ra khi
điện phân
Fe2+ và H2O2 sẽ tạo ra Fe3+, chính Fe3+ này tiếp tục bị khử
thành Fe2+ trực tiếp trên catod theo phương trình sau:
Fe3++e →Fe2+

2. Quá trình quang Fenton
Trong điều kiện tối ưu của quá trình Fenton: pH thấp
(pH<4), ion Fe3+ phần lớn nằm dưới dạng phức [Fe3+
(OH)-] 2+. Dạng này hấp thu ánh sáng UV trong miền
250< λ<400 nm rất mạnh, hơn hẳn so với ion Fe3+.
Phản ứng khử [Fe3+ (OH)-] 2+ trong dung dịch bằng
q trình quang hóa học cho phép tạo ra một số gốc
•HO theo phương trình:
Fe3+
+
H2O → [Fe3+ (OH)-] 2+ + H+
[Fe3+ (OH)-] 2+ +
hν
→ Fe2+ +
Tổng hợp 2 phương trình trên:
Fe3+

+

H2O + hν

→ Fe2+ +

•HO
H+ + •HO


3. Fenton – HA
• Hợp chất humic là một trong các tác nhân được sử dụng

nhiều trong các hệ thống Fenton cải tiến (fenton – HA).
• Hợp chất humic được phân loại là acid humic (HA), acid
fulvic (FA)
• Các hợp chất humic trong hệ thống fenton có khả năng
hấp phụ các hợp chất hữu cơ hydrophobic và là một
chất khử.
• Q trình phân hủy các chất ơ nhiễm ở pH=5-7 được
tăng tốc đáng kể nhờ sự có mặt của HA, đó là HA đã tạo
các phức hồ tan với sắt, các phức này có khả năng hoạt
hố H2O2.
• Hiệu quả phân hủy benzene sau thời gian phản ứng là 5
giờ tại pH = 5 của hệ thống Fenton thường khoảng 35%,
còn hệ thống Fenton – HA là 95%, còn tại pH=6 hệ
thống fenton thường là 30% trong khi đó hệ thống
Fenton cải tiến là 70%


III. Những nhân tố ảnh hưởng tới
quá trình Fenton
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Ảnh hưởng của nồng độ sắt
Ảnh hưởng của dạng sắt
Ảnh hưởng của nồng độ H2O2

Ảnh hưởng của nhiệt độ
Ảnh hưởng của pH
Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Ảnh hưởng của các anion vô cơ


Phần II:

Ứng dụng của phương pháp Fenton
trong xử lý nước thải


1. Ứng dụng của Fenton
trong xử lý nước thải dệt nhuộm
- Oxy hóa sử dụng Fenton là
một phương pháp khả thi
trong việc loại bỏ màu hoàn
toàn của nước thải dệt
nhuộm.
- Q trình xử lý này phụ
thuộc rất nhiều vào thơng số
và cần được kiểm tra trước
khi dùng để xử lý các loại
thuốc nhuộm khác nhau.


• Phương pháp Fenton có thể xử lý axit blue 74 (nhóm
thuốc nhuộm indigoid), axit orange 10 (hợp chất màu azo)
và axit violet 19 (thuốc nhuộm triarylmethane). Quá trình
khử màu diễn ra trong suốt q trình oxy hóa

• Khi lượng H2O2 tăng q cao thì khơng làm tăng
sự phân hủy thuốc nhuộm. Với nồng độ H 2O2 cao
sẽ có sự cạnh tranh giữa chất nền và H2O2 để phản
ứng với gốc hydoxyl.


2. Phương pháp xử lý nước bề mặt
nhiễm thuốc trừ sâu bằng Fenton
•

Phương pháp Fenton đã xử
lý rất thành cơng atrazine,
2,4- D và alachlor. Điều kiện
tối ưu để xảy ra phản ứng là
pH = 3 và tỉ lệ thuốc trừ sâu :
Fe(II) : H2O2 từ 1: 10: 10 đến
1:10:1000

• Loại thuốc trừ sâu trong nước
bề mặt mà Fenton có thể xử lý
được chia thành 3 nhóm:
MCPA, mecoprop và 2,4-D


re m o v a l D O C (% )

100
90

80
70
60
50
40
30
20
10
0
1

2

3

pH

Biểu đồ phần trăm phân hủy DOC ở pH = 3, 5 và 7
(Tỉ lệ thuốc trừ sâu: Fe(II):H2O2 = 1:10:10)

• Tỉ lệ thuốc trừ sâu : Fe(II): H 2O2 rất quan trọng. Khi tăng
hàm lượng Fe(II) lên 10 lần sẽ làm tăng tốc độ phản ứng.
• Sự chuyển hóa thuốc trừ sâu trong nước bề mặt còn phụ
thuộc vào pH. Ở pH=7 chuyển hóa được 16% mecoprop
và 34% MCPA. Sự chuyển hóa DOC cao hơn ở pH thấp,
từ 50-87%.


Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải
sản xuất thuốc trừ sâu

nước thải
Kiềm hố
pH ≥ 10

Keo tụ

Oxy hố

Bùn

Máy ép bùn
Đóng
bao

Chơn lấp

Trung hoà lắng

Nước sau
xử lý


3. Ứng dụng phương pháp Fenton

trong quá trình xử lý nước rỉ rác của bãi chơn lấp
• Chơn lấp là một bước trong
kế hoạch quản lý rác thải.
Tuy nhiên nếu trong một thời
gian dài nó có thể tạo ra các
chất độc hại cho mơi trường.

• Nước rỉ rác bao gồm nước
mưa thấm qua các lớp rác và
bản thân nước sẵn có trong
bãi chơn lấp. Nó bao gồm một
lượng lớn hợp chất hữu cơ,
kim loại nặng và muối vô cơ.


Thông số

Đơn vị

pH

Giá trị
Nước rác ban đầu

Nước rác sau tiền XLSH

 

7.98

7.61

Conductivity

mS/cm

9.11

7.23

COD

mg/L

3090 - 1851

1598 - 1191

TOC

mg/L

1921 - 1809

1555 - 1415

BOD5

mg/L

420

120

Total suspended solid

mg/L

790

300

NH4 - N

mg/L

2500

1400

Cl-

mg/L

1836

1903

SO4

mg/L

19

41

Na

mg/L

1405

1177

K

mg/L

818

754

Ca

mg/L

167

177

Mg

mg/L

99

90

Sn

mg/L

1.1

1.9

Mn

mg/L

1.9

1.5


Hình biểu diễn sự giảm TOC và COD
trong hệ thống xử lý nước rác (t= 120 phút)

• Ở dịng ra TOC đã giảm đi đáng kể (94%).
COD giảm 71% sau toàn bộ thời gian xử lý


Sự giảm TOC và COD trong nước rác tiền xử lý sinh học

• TOC giảm 96% tại dịng ra. COD được loại bỏ tăng
lên đến 69%

• Sự xử lý nước rác (COD = 3100-1800 mg/l) và sử
dụng lượng hoá chất là 30000 mg/l H2O2
(H2O2/COD = 16) và 500 mg/l Fe2+. Lượng COD
lớn nhất có thể xử lý khoảng 71% giá trị ban đầu
nhưng ngược lại hàm lượng TOC được xử lý
khoảng 94%.
• Đối với nước rác đã qua xử lý sinh học sơ bộ sử
dụng 15000 mg/l H2O2 (H2O2/COD = 10) và 500
mg/l Fe2+ thì COD xử lý được 69% và TOC là
96%.


Sơ đồ hệ thống xử lý nước rò rỉ
từ bãi chơn lấp mới.
Nước rị rỉ từ hố
thu gom

H2O2 + Mn2+, Fe2+

thiết bị thổi khí

Keo tụ
khử cặn
và canxi

UASB

Bùn
hoạt

tính

Lắng 2

Oxy
hố

Hồ sinh
học

tưới cây vành
đai bãi rác
(mùa khơ)

Bùn tuần
hồn

Bùn

Bùn

Bùn dư

SCR

Bãi rác
Bể nén

Bể chứa

Sơ đồ quy trình cơng nghệ
hệ thống xử lý nước rác cũ
thiết bị thổi
khí

thiết bị trộn
hố chất

Bể khử nito (sục
khí hay nitrat hoá,
denitrat hoá)

Bể keo tụ

FeSO4.7H2O,
H2O2
MnSO4

Nước rác tại các
hố thu

Bùn thải

SCR

Chơn lấp tại
bãi rác

thiết bị

xử lý bùn

bể oxy
hố

Bùn thải

bể điều hoà

Thải ra
nguồn