Tổng quan về quá trình oxy hóa bậc cao

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH OXY HÓA BẬC CAO 

Việc xử lý các chất ô nhiễm này đang là một vấn đề nan giải. Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống như: phương pháp cơ học, phương pháp sinh học, phương hóa lý,… đều không xử lý được hoặc xử lý không triệt để các chất ô nhiễm này.

Do đó sự tồn đọng của chúng trong môi trường gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và động vật kể cả khi chúng chỉ hiện diện với hàm lượng nhỏ.

Để có thể giải quyết triệt để các chất thải khó phân hủy mà các phương pháp xử lý truyền thống không áp dụng được, phương pháp oxy hóa bậc cao đã chứng tỏ hiệu quả và ưu điểm của nó.

I. Khái niệm về quá trình oxy hóa bậc cao

Các quá trình oxy hóa bậc cao hay oxy hóa nâng cao được định nghĩa là những quá trình phân hủy oxy hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl *OH được tạo ra ngay trong quá trình xử lý với thời gian rất ngắn.

Gốc hydroxyl là một trong các tác nhân oxy hóa mạnh nhất được biết đến, có khả năng oxy hóa không chọn lựa mọi hợp chất hữu cơ, dù là loại chất khó phân hủy, biến chúng thành những hợp chất vô cơ (khoáng hóa) không độc hại như CO2, H2O hay dễ phân hủy hơn như các acid hữu cơ mạch ngắn, các acid vô cơ…

Để xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ khó phân hủy, quá trình oxy hóa tiên tiến AOPs ( Advanced Oxidation Processes ) ngày càng được sử dụng phổ biến trên các công trình công bố về xử lý nước thải.

Phương pháp này chủ yếu dựa trên các phản ứng hóa học của các chất oxy hóa mạnh như O3, Fenton(hỗn hợp FeSO4 + H2O2 ), xúc tác quang hóa TiO2 + UV, … Đặc điểm của những chất oxy hóa này là trong điều kiện cụ thể, sẽ sinh ra gốc *OH(hydroxyl) tự do hoạt động rất mạnh có khả năng phân hủy những chất có cấu trúc bền vững.

Quá trình oxy hóa bâc cao
Quá trình oxy hóa bâc cao

I.1 Vai trò của quá trình xử lí nước thải bằng phương pháp oxy hóa bậc cao 

Nhiều loại nước thải công nghiệp có chứa các hợp chất hữu cơ không thể xử lý bằng sinh học trực tiếp hoặc có tính độc hại và ngăn cản quá trình phát triển của vi sinh, do đó phải dung các chất oxy hóa để oxy hóa trước các hợp chất này và các chất gây màu, mùi, trước khi cho nước thải vào xử lý bằng vi sinh. Vai trò của quá trình oxy hóa này trong các công trình xử lý bao gồm:

Vai trò quá trình oxy hóa bậc cao trong xử lý nước thải
Vai trò quá trình oxy hóa bậc cao trong xử lý nước thải

– Biến đổi chất khó phân hủy bằng vi sinh thành chất dễ phân hủy do thay đổi cấu trúc liên kết của các hợp chất này.

– Biến đổi các chất không thể phân hủy hay độc hại thành chất có thể phân hủy được do thay đổi cấu trúc liên kết, hoặc thành phần của các hợp chất này, biến chúng thành các hợp chất ít hoặc không còn gây độc hại.

– Oxy hóa triệt để, biến các hợp chất cacbon hữu cơ thành CO2.

I.2 Sự cần thiết của các công nghệ xử lý bậc cao trong xử lý nước thải 

Những nước sản xuất nông nghiệp lúa nước chủ yếu như ở Việt Nam, lượng hóa chất bảo vệ thực vật sử dụng ngày càng tăng, trung bình khoảng 4-5 kg/ha.năm, nên lượng hóa chất bảo vệ thực vật tan trong nước, ngấm xuống đất xâm nhập vào nguồn nước mặt, sông ngòi, ao hồ và lan truyền vào các mạch nước ngầm, tích lũy ngày càng nhiều.

Trong số này, được chú ý nhiều nhất là những chất hữu cơ bền vững (Persistent Organic Pollutants – POPs ), là những chất không bị phân hủy trong môi trường theo thời gian, thậm chí khi di chuyển từ vùng này sang vùng khác, có thể rất xa với nguồn xuất phát ban đầu vẫn không bị biến đổi.

Những chất này ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người và động vật, gây ung thư, tổn thương hệ thần kinh, rối loạn sinh sản, gây dị tật, quái thai, phá hủy hệ miễn dịch dẫn đến tử vong.

Do tác hại và hậu quả của các chất ô nhiễm hữu cơ nói chung đến môi trường sống và sức khỏe cộng động cũng như qua thực tế kiểm chứng nên ngày nay, danh mục các chất ô nhiễm đã được mở rộng thêm ( trong đó chủ yếu là những chất ô nhiễm hữu cơ khó bị phân hủy ) trong khi giới hạn nồng độ chất ô nhiễm cho phép lại giảm xuống thấp.

Cụ thể theo Quy chuẩn Việt Nam mới nhất QCVN 08:2008/BTNMT quy định về chất lượng nước mặt sử dụng cho mục đích sinh hoạt, bảo tồn thủy sinh, tưới tiêu, thủy…. hiện nay ở Việt Nam đã trở nên khắt khe hơn.

Vì thế, một thách thức mới đặt ra cho các nhà khoa học và công nghệ là phải tìm các công nghệ hữu hiệu xử lý triệt để các chất ô nhiễm trong nước, đặc biệt các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy để có thể thu lại nguồn nước sạch từ các nguồn nước thải khác nhau, quay về phục vụ cho sinh hoạt hoặc sản xuất và các quá trình oxy hóa bậc cao đang được ưu tiên nghiên cứu và ứng dụng.

I.3 Nguyên tắc chung của quá trình xử lý nước thải bằng quá trình oxi hóa bậc cao

Các quá trình oxy hóa bậc cao được định nghĩa là những quá trình phân hủy oxy hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl *OH được tạo ra ngay trong quá trình xử lý (in situ). Gốc hydroxyl là một tác nhân oxy hóa mạnh nhất trong số tác nhân oxy hóa được biết từ trước đến nay, có khả năng oxy hóa không chọn lựa mọi hợp chất hữu cơ, dù là loại chất khó phân hủy, biến chúng thành những hợp chất vô cơ (khoáng hóa) không độc hại như CO2, H2O, các axit vô cơ,…

Nguyên tắc chung quá trình oxy hóa bậc cao trong xử lý nước thải
Nguyên tắc chung quá trình oxy hóa bậc cao trong xử lý nước thải

Từ những tác nhân oxy hóa thông thường như H2O2, O3, có thể nâng cao khả năng oxy hóa của nó bằng các phản ứng hóa học khác nhau để tạo ra gốc hydroxyl, thực hiện quá trình oxy hóa gián tiếp thông qua gốc hydroxyl, vì vậy các quá trình này được gọi là quá trình oxy hóa được nâng cao hay gọi tắt là các quá trình hóa bậc cao (Advanced Oxidation Processes – AOPs).

Do tác dụng oxi hóa cực mạnh của chúng so với các tác nhân diệt khuẩn truyền thống (các hợp chất của Clo) nên các gốc hydroxyl ngoài khả năng tiêu diệt các vi khuẩn thông thường như Escherichia coli, Colifom còn tiêu diêt các tế bào vi khuẩn và virut gây bệnh mà clo không thể tiêu diệt nổi như Campylobacter, Yersina, Mycobacteria, Legionella, Cryptosporidium,…

Mặt khác, khử trùng bằng gốc hydroxyl *OH lại rất an toàn so với khử trùng bằng clo vì không tạo ra các sản phẩm phụ gây ung thư như các chất hữu cơ chứa trihalometan ( THMs ).

II. Phân loại các quá trình oxi hóa bậc cao

Dựa theo đặc tính của quá trình có hay không có sử dụng nguồn năng lượng bức xạ tử ngoại UV có thể phân loại các quá trình oxy hóa bậc cao thành hai nhóm như sau:

  • Nhóm các quá trình oxy hóa bậc cao không nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced Non – Photochemical Oxidation Process – ANPO)
  • Nhóm các quá trình oxy hóa bậc cao nhờ tác nhân ánh sáng ( Advanced Photochemical Oxidation Process – APO)
Phân loại quá trình oxy hóa bậc cao
Phân loại quá trình oxy hóa bậc cao

Một số phương pháp oxy hóa bậc cao đã và đang được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam bao gồm: Fenton, Peroxon, quang Fenton, O3, Peroxon(H2O2).

Thông thường quy trình oxi hóa Fenton đồng thể gồm 4 giai đoạn:

  • Giai đoạn 1: Điều chỉnh pH phù hợp: Trong các phương pháp Fenton, độ pH ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng và nồng độ Fe2 , từ đó ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ, pH thích hợp cho quá trình là từ 2 – 4, tối ưu nhất là ở mức 2,8.
Cơ chế phương pháp fenton
Cơ chế phương pháp fenton

Đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm giảm thiểu khó khăn khi đưa pH về mức thấp rồi sau đó lại nâng pH lên mức trung tính để tách khử Fe, H2O2 dư. Nếu ta dùng các chất xúc tác khác như quặng sắt Goethite (a-FeOOH), cát có chứa sắt, hoặc sắt trên chất mang Fe/SiO2, Fe/TiO2, Fe/than hoạt tính, Fe/Zeolit… thì quá trình này gọi là Fenton dị thể, pH thích hợp ở trường hợp này theo nghiên cứu cao hơn đồng thể, khoảng từ 5 – 9.

  • Giai đoạn 2: Phản ứng oxi hóa: Trong giai đoạn phản ứng oxi hóa xảy ra sự hình thành gốc *OH hoạt tính và phản ứng oxi hóa chất hữu cơ. Cơ chế hình thành gốc *OH hiện nay chưa thống nhất, theo Fenton thì sẻ có phản ứng:

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

Gốc *OH sau khi hình thành sẽ tham gia vào phản ứng ôxi hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước cần xử lý, 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

  • Giai đoạn 3: Trung hòa và keo tụ: Sau khi xảy ra quá trình oxi 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.

II.2 Cơ chế phương pháp oxy hóa bậc cao peroxone xử lý nước thải.

Cơ chế phản ứng tạo gốc *OH từ hệ O3/H2O2 theo phương trình (3).

Cơ chế phương pháp peroxone
Cơ chế phương pháp peroxone

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                  

            Các phản ứng tạo thành gốc *HO:

–   Tạo gốc *HO từ *O3

                              O3   +   H+     —-->      *HO3                         

                              *HO3         —-->           *HO  +  O2                 

–   Tạo gốc *HO từ *HO2

                                   *HO2         —-->          H+     +  *O2                

                                    *O2   +  O3    —-->     *O3   +  O2                   

                                    *O3    +   H+    —-->    *HO3                            

                                    *HO3          —-->           *HO  +  O3                  

Phương trình tổng hợp đặc trưng cho quá trình Peroxon:

                                    H2O2 + 2O3    —-->      2*HO   + 3O2               

Phản ứng (3) cho thấy, phương pháp oxy hóa bậc cao peroxone có thể tiến hành trong điều kiện pH trung tính. Hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ của hệ O3/ H2Ocao hơn nhiều so với tác dụng oxy hóa của Ođơn vì có tác nhân *OH được sinh ra trong quá trình phản ứng

III. Một số vấn đề cần lưu ý khi áp dụng phương pháp xử lý nước thải bằng các quá trình oxy hóa bậc cao (AOPs)

Để có kết quả mong muốn với chi phí thấp nhất của phương pháp AOPs, thì khi tiến hành các phản ứng oxy hóa phải chọn loại chất oxy hóa và liều lượng cho vào nước phải phù hợp nếu không sẽ tạo ra các chất khó hoặc không thể phân hủy được do thay đổi cấu trúc của các hợp chất gốc, tăng tính độc hại của nó.

Các quá trình oxi hóa bậc cao nói chung không thể áp dụng một cách đơn độc để xử lí nước thải vì đều đòi hỏi chi phí hóa chất hoặc năng lượng nhất định, dẫn đến chi phí chung cho quá trình xử lí tăng cao mặc dù các quá trình hóa học xảy ra rất nhanh, thực hiện trong hệ thống thiết bị nhỏ,gọn.

Hơn nữa, các công nghệ xử lí nước thải truyền thống dựa vào các quá trình phân hủy sinh học(hiếu khí hoặc yếm khí), các quá trình hóa học (kết tủa bằng tác nhân hóa học axit hay kiềm), các quá trình vật lí (lắng, lọc ), các quá trình hóa lý (keo tụ,tuyển nổi,hấp phụ trên than hoạt tính),…đã tỏ ra có khả năng xử lí các chất ô nhiễm với những mức độ cần thiết ở chi phí vận hành hợp lí, tích lũy được nhiều kinh nghiệm và có nhiều cải tiến qua thời gian dài.

Vì vậy, giải pháp công nghệ được coi là tối ưu hiện nay trong xử lí nước và nước thải là kết hợp hoặc tích hợp các công nghệ truyền thống với công nghệ cao dựa trên các quá trình oxi hóa bậc cao, tạo nên những công nghệ tích hợp (Integrated Technologies) tối ưu.

Vai trò và vị trí của các quá trình oxi hóa bậc cao trong công nghệ tích hợp được quyết định bởi chiến lược và kinh nghiệm của nhà công nghệ,chứ không có một công nghệ tích hợp tiêu chuẩn vạn năng để xử lí cho mọi loại nước thải để thực hiện.

IV. Một số ứng dụng của quá trình oxy hóa bậc cao trong xử lý nước thải

IV. 1 Ứng dụng quá trình oxy hóa bậc cao bằng Ozon và Peroxon trong xử lý loại nước thải dệt nhuộm

Hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải nhuộm tính theo chỉ số COD thường đạt giá trị từ 1500 – 2000 mg/l… cao gấp 15 đến 20 lần so với tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5945 – 2005). Trong nước thải nhuộm thường có mặt các hợp chất hữu cơ chứa vòng benzen, các nhóm phức mang màu,… Các nhóm hữu cơ này có cấu trúc rất bền vững và khó phân hủy.

Sự có mặt của các hợp chất này trong nước thải gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến hệ sinh thái, đến động thực vật thủy sinh và có thể là tác nhân gây ung thư cho người. Ozon và Peroxon(O3/H2O2) là những tác nhân có khả năng oxy hóa rất cao, trong điều kiện thích hợp có thể phân hủy khá triệt để các chất hữu cơ bền vững.

Phương pháp này cho hiệu quả xử lý cao,nước thải sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải và đặc biệt không tạo ra những sản phẩm phụ sau quá trình xử lý.

Ứng dụng quá trình oxy hóa bậc cao xử lý nước thải dệt nhuộm
Ứng dụng quá trình oxy hóa bậc cao xử lý nước thải dệt nhuộm

IV. 2 Ứng dụng quá trình oxy hóa bậc cao trong xử lý loại nước thải bột giấy

Trần Mạnh Trí và các đồng tác giả [2005] đã nghiên và đưa vào áp dụng hệ O3/H2O2 để xử lý nước thải sản xuất bột giấy từ gỗ cây keo lai. Kết quả đã có thể xử lý giảm được 98-99% so với độ màu ban đầu.

– GS.TS Trần Mạnh Trí đã sử dụng quá trình Peroxon kết hợp với lọc trên giá thể FLOCOR, hấp thụ trên than hoạt tính, lọc qua cát để xử lý thuốc bảo vệ thực vật tồn đọng. Bằng phương pháp này, các chất hữu cơ độc hại, khó phân hủy sẽ bị phân hủy thành các chất vô hại như CO2, H2O hoặc các axit vô cơ phân tử thấp.

Nước sau khi xử lý loại bỏ hết thuốc bảo vệ thực vật được quay trở lại tiếp tục tái sử dụng để pha loãng lượng thuốc bảo vệ thực vật cần tiêu hủy tạo thành một chu trình khép kín, không có nước thải ra ngoài. Hiện nay, công nghệ này đang được triển khai áp dụng tại Trạm môi trường xanh Bến Lức – Long An với chi phí 14.600 đồng/kg thuốc bảo vệ thực vật.

IV. DỊCH VỤ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TẠI MỚI NHẤT 2021 – CÔNG TY HÒA BÌNH XANH

Bạn đang muốn xây dựng hệ thống xử lý nước thải tại ứng dụng quá trình oxy hóa bậc cao? Bạn đang muốn tìm kiếm một nhà thầu chuyên nghiệp và uy tín ? Đừng lo ngại, Hòa Bình Xanh sẽ giúp bạn tận tình với những dịch vụ chuyên nghiệp nhất.

Công ty TNHH Công nghệ Môi trường Hòa Bình Xanh chuyên cung cấp những dịch vụ về nước thải như sau

  • Tư vấn thiết kế thi công xây dựng hệ thống xử lý nước thải trên toàn quốc
  • Cung cấp các vật tư, thiết bị, hóa chất xử lý nước thải, nước cấp 
  • Doanh nghiệp đã có hệ thống xử lý nước thải, nhưng nước thải sau xử lý chưa đạt quy chuẩn hoặc thay đổi lưu lượng nước thải=> Công ty chúng tôi chuyên tư vấn, cung cấp các giải pháp cải tạo nâng cấp công suất của hệ thống xử lý nước thải.
  • Doanh nghiệp có hệ thống xử lý nước thải nhưng ít vận hành hoặc không có người đúng chuyên môn vận hành, dẫn đến thiết bị máy móc bị hư hỏng, vi sinh nuôi cấy trong bể sinh học bị sự cố cần tư vấn sửa chữa, nuôi cấy vi sinh, vận hành hệ thống xử lý nước thải hay liên hệ với chúng tôi để được hỗ trợ nhanh nhất đảm bảo hệ thống xử lý đạt yêu cầu khi có cơ quan kiểm tra.
Dịch vụ xử lý nước thải tại Hòa Bình Xanh
Dịch vụ xử lý nước thải tại Hòa Bình Xanh

Các giải pháp Công ty Môi trường Hòa Bình Xanh đưa ra dựa trên các tiêu chí đánh giá sau:

  • Thiết kế hệ thống xử lý bằng phương pháp hợp khối, tiết kiệm diện tích, thẩm mỹ, vệ sinh và an toàn trong quá trình vận hành
  • Tự động hóa công nghệ, công nghệ xử lý thân thiện môi trường nhằm giảm thiểu nhân công và chi phí trong quá trình vận hành
  • Áp dụng các công nghệ tiên tiến, đáp ứng sự đa dạng đối với từng ngành nghề sản xuất để khách hàng dễ dàng lựa chọn như công nghệ: MBR, MBBR, Biochip, lọc UF, MF, NF, RO …
  • Đa dạng các loại vật liệu, thiết bị xây dựng hệ thống xử lý như: Bê tông, gạch, inox, thép, composite, nhựa … đáp ứng được tất cả các loại nước thải có thành phần ô nhiễm khác nhau
  • Nước thải sau xử lý luôn đảm bảo đạt quy chuẩn xả thải, có thể tái sử dụng nước thải cho những mục đích khác nhau
  • Giá thành hợp lý, thi công lắp đặt nhanh chóng
  • Nước thải sau xử lý có thể tái sử dụng cho sản xuất là tiêu chí được ưu tiên
  • Đội ngũ nhân viên chuyên nghiệp, có nhiều năm kinh nghiệm đáp ứng được các yêu cầu khắt khe củng những khách hàng khó tính

Quý doanh nghiệp hãy liên hệ tới Công ty TNHH Công nghệ Môi trường Hòa Bình Xanh, Công ty chúng tôi với đội ngũ thạc sỹ, kỹ sư giàu kinh nghiệm đã đầu tư nghiên cứu, đánh giá kỹ lưỡng các công nghệ xử lý và tìm các phương án xử lý chất lượng tốt nhất, chi phí hợp lý và thời gian nhanh nhất.

  • Với phương châm: ”Uy tín, chất lượng là hàng đầu” Hòa Bình Xanh mang đến cho quý khách hàng sản phẩm và dịch vụ tốt nhất, đáp ứng nhu cầu cần thiết của quý khách.
  • Quý khách hàng có công trình, dự án cần tư vấn, hãy goi ngay qua hotline 0906.840.903 để nhận được sự hỗ trợ nhanh nhất và tận tình nhất
Hòa Bình Xanh
Hòa Bình Xanh

Xem thêm <<<<<<<<  XỬ LÝ AMMONIUM TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ANAMMOX

Xem thêm <<<<<<<< CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC THẢI

Xem thêm <<<<<<<< QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA AMONI

Xem thêm <<<<<<< PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA BẬC CAO PEROXONE

Xem thêm <<<<<<< Xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton – Oxy hóa bậc cao

Nhận xét bài viết!