Trong xử lý nước thải công nghiệp, nhiều hợp chất hữu cơ có hại như thuốc trừ sâu, phẩm màu, dược phẩm... không thể xử lý hiệu quả bằng phương pháp thông thường. Đó là lý do công nghệ Fenton – một quá trình oxy hóa nâng cao sử dụng gốc hydroxyl ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng phá hủy triệt để các chất ô nhiễm khó phân hủy sinh học. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về nguyên lý, ứng dụng thực tế và những yếu tố cần lưu ý khi triển khai công nghệ này.
1. Giới thiệu về công nghệ Fenton
Fenton là một quá trình oxy hóa nâng cao (AOP – Advanced Oxidation Process) sử dụng sự kết hợp giữa ion sắt (Fe²⁺) và hydrogen peroxide (H₂O₂) để tạo ra gốc tự do hydroxyl (•OH). Đây là loại gốc oxy hóa mạnh có khả năng phá vỡ liên kết của các hợp chất hữu cơ bền vững, từ đó giúp xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm khó phân hủy sinh học. Phản ứng cơ bản của quá trình Fenton xảy ra ở môi trường axit nhẹ (pH ~3) và diễn ra rất nhanh.
Phương pháp Fenton thường được ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp chứa chất màu, hợp chất vòng thơm, thuốc trừ sâu, chất hoạt động bề mặt hoặc dược phẩm. Ưu điểm nổi bật là không phụ thuộc vào vi sinh vật, hiệu quả cao với các chất độc hại và thời gian phản ứng ngắn. Tuy nhiên, để vận hành hiệu quả, hệ thống Fenton cần được kiểm soát nghiêm ngặt về pH, tỷ lệ hóa chất và xử lý bùn sắt phát sinh.
Giới thiệu về công nghệ Fenton trong xử lý nước thải là gì?
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Fenton
2.1 pH môi trường
Giá trị pH đóng vai trò then chốt trong phản ứng Fenton. Khoảng pH tối ưu thường nằm trong khoảng 2.5–3.5. Nếu pH quá thấp (<2), Fe²⁺ có thể bị chuyển hóa thành Fe³⁺ quá nhanh, làm giảm hiệu quả tạo ra gốc •OH. Ngược lại, khi pH cao (>4), hydrogen peroxide bị phân hủy thành nước và oxy mà không tạo ra gốc hydroxyl, đồng thời các ion sắt có thể kết tủa thành hydroxide sắt, gây lắng đọng và cản trở phản ứng.
2.2 Nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng oxy hóa. Trong phạm vi từ 20–50°C, nhiệt độ cao giúp gia tăng tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ vượt ngưỡng 50°C, hydrogen peroxide sẽ bị phân hủy nhanh chóng thành nước và oxy, làm giảm hiệu suất tạo gốc •OH và gây lãng phí hóa chất. Do đó, cần kiểm soát nhiệt độ phù hợp với tính chất nước thải và điều kiện vận hành thực tế.
2.3 Tỷ lệ Mol Fe²⁺/H₂O₂
Tỷ lệ giữa sắt (Fe²⁺) và hydrogen peroxide (H₂O₂) là yếu tố quan trọng quyết định lượng gốc hydroxyl được sinh ra. Tỷ lệ mol phổ biến trong thực tế thường nằm trong khoảng 1:5 đến 1:10 tùy vào tải lượng ô nhiễm. Nếu liều lượng Fe²⁺ quá cao, có thể dẫn đến phát sinh lượng lớn bùn sắt và gây tiêu tốn hóa chất không cần thiết. Trong khi đó, nếu H₂O₂ được châm quá dư, phần dư này có thể phản ứng ngược lại với •OH, làm giảm hiệu quả oxy hóa. Vì vậy, cần tối ưu hóa tỷ lệ này thông qua thử nghiệm JAR hoặc pilot trước khi áp dụng toàn hệ thống.
3. Ứng dụng thực tế của công nghệ Fenton trong xử lý nước thải
3.1 In nhuộm
Ngành công nghiệp dệt nhuộm tạo ra lượng lớn nước thải chứa phẩm màu, chất hoạt động bề mặt, hợp chất hữu cơ và kim loại nặng. Các hợp chất này thường có cấu trúc phân tử phức tạp và kháng vi sinh. Fenton được ứng dụng hiệu quả để loại bỏ màu, giảm COD và phá vỡ các liên kết hữu cơ khó xử lý, từ đó giúp nâng cao khả năng xử lý sinh học ở giai đoạn sau (nếu có). Trong nhiều trường hợp, Fenton còn được sử dụng như bước xử lý cuối để đảm bảo nước đầu ra đạt QCVN 13:2015/BTNMT.
3.2 Dược phẩm
Nước thải từ nhà máy sản xuất dược chứa các hoạt chất kháng sinh, hormone, chất ổn định và dung môi hữu cơ. Những chất này không những kháng sinh học mà còn ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường nếu xả ra mà không xử lý triệt để. Công nghệ Fenton giúp oxy hóa các hợp chất độc hại thành dạng dễ phân hủy hơn, thậm chí có thể loại bỏ hoàn toàn nếu kết hợp thêm với quá trình lọc màng hoặc hấp phụ sau đó.
3.3 Hóa chất
Ngành công nghiệp hóa chất, đặc biệt là các nhà máy sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, phẩm màu, dung môi công nghiệp,… thường thải ra dòng nước ô nhiễm rất nặng, chứa các hợp chất thơm, chất bền hóa học và thậm chí là các dẫn xuất nitro, phenol hoặc clo hữu cơ. Với khả năng tạo ra gốc •OH có thế oxy hóa cao, Fenton là một trong số ít công nghệ có thể xử lý các chất này mà không cần tiêu thụ năng lượng điện cao như ozone hay UV.
3.4 Bệnh viện, phòng thí nghiệm
Nước thải bệnh viện và phòng lab thường chứa vi khuẩn, dược phẩm tồn dư, chất khử trùng, chất phản ứng hóa học… Phương pháp Fenton không chỉ giúp giảm nhanh COD và loại bỏ dược phẩm tồn dư mà còn góp phần khử trùng nước nhờ vào khả năng tạo ra gốc oxy hóa mạnh. Công nghệ này thường được ứng dụng làm bước xử lý bổ sung sau quá trình sinh học, đặc biệt trong các hệ thống có yêu cầu xả thải nghiêm ngặt.
Các ứng dụng của công nghệ Fenton trong quá trình xử lý nước thải
4. Ưu điểm và hạn chế của phương pháp Fenton
4.1 Ưu điểm
-
Phá hủy các hợp chất độc hại không phân hủy sinh học: Công nghệ Fenton có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững như phenol, thuốc trừ sâu, dược phẩm và chất màu công nghiệp. Đây là những chất mà phương pháp xử lý sinh học thông thường không thể xử lý triệt để.
-
Không cần vi sinh: Phản ứng Fenton là quá trình hóa học thuần túy, không phụ thuộc vào hoạt động của vi sinh vật. Điều này giúp hệ thống xử lý ổn định hơn trong các môi trường độc hại hoặc có biến động tải trọng lớn.
-
Phản ứng xảy ra nhanh, hiệu suất cao: Quá trình tạo gốc hydroxyl diễn ra gần như ngay lập tức khi tiếp xúc với Fe²⁺ và H₂O₂. Nhờ đó, hiệu suất loại bỏ COD, màu và các chất ô nhiễm diễn ra trong thời gian ngắn, thích hợp cho các hệ thống có yêu cầu xử lý tức thời.
4.2 Hạn chế
-
Cần kiểm soát pH chặt chẽ: Phản ứng Fenton chỉ hoạt động hiệu quả trong khoảng pH từ 2.5 đến 3.5. Nếu pH lệch khỏi khoảng này, hiệu suất tạo gốc hydroxyl giảm đáng kể, khiến quá trình xử lý kém hiệu quả.
-
Phát sinh bùn sắt: Sản phẩm phụ của quá trình là các hợp chất sắt kết tủa tạo thành bùn. Việc xử lý, thu gom và thải bỏ bùn sắt cần được tính toán kỹ để tránh ảnh hưởng đến vận hành và chi phí môi trường.
-
Chi phí hóa chất tương đối cao: Hydrogen peroxide và muối sắt là hai loại hóa chất tiêu hao chính và có giá thành không thấp. Khi xử lý nước có tải lượng ô nhiễm lớn, chi phí vận hành có thể tăng nhanh nếu không được tối ưu hóa.
Công nghệ Fenton là một giải pháp mạnh mẽ và hiệu quả cho các hệ thống xử lý nước thải có tải lượng ô nhiễm cao, chứa nhiều hợp chất khó phân hủy. Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả tối ưu, cần kiểm soát nghiêm ngặt các thông số như pH, nhiệt độ và tỷ lệ hóa chất sử dụng. Với kinh nghiệm thực tiễn và đội ngũ kỹ sư chuyên môn, Đại Nam Enviro sẵn sàng đồng hành cùng doanh nghiệp trong việc tư vấn, thiết kế và triển khai hệ thống xử lý nước thải bằng các công nghệ an toàn – hiệu quả – tiết kiệm.
