HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG
------------------------------------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG FENTON DỊ THỂ XỬ LÝ
CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI LÀNG BÚN PHÚ ĐÔ,
THÀNH PHỐ HÀ NỘI”

Người thực hiện

: PHẠM HƯƠNG GIANG

Khóa

: 57

Ngành

: Môi trường

Giáo viên hướng dẫn : ThS. ĐOÀN THỊ THÚY ÁI

HÀ NỘI - 2016


HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG
------------------------------------------------


Phạm Hương Giang

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực tập tốt nghiệp, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi đã
nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các tập thể, cá nhân trong và ngoài trường.
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Môi
trường và các thầy, cô giáo Học viện nông nghiệp Việt Nam đã tạo mọi điều
kiện giúp đỡ tôi hoàn thành quá trình thực tập tốt nghiệp.
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc cô Đoàn Thị Thúy Ái cùng
các thầy cô trong Bộ môn Hóa đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ủy Ban Nhân Dân quận Nam Từ Liêm,
phòng Tài nguyên môi trường cùng một số đơn vị khác đã giúp tôi thực hiện
đề tài này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và những người
đã khích lệ tôi trong suốt quá trình thực tập tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cám ơn!
Hà Nội ngày 16 tháng 05 năm 2016
Sinh viên

Phạm Hương Giang

iv


MỤC LỤC


3.4.2.Đánh giá khả năng xử lý nước thải làng bún Phú Đô bằng phương
pháp Fenton dị thể...................................................................................27
3.4.3.Xây dựng mô hình xử lý nước thải bằng phương pháp Fenton dị thể
quy mô hộ gia đình..................................................................................28
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU.................................................30
4.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội và hiện trạng phát sinh, xử nước thải
tại làng bún Phú Đô, Hà Nội.......................................................................30
4.1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội ................................................30
4.1.2 Hiện trạng phát sinh, xử nước thải tại làng bún Phú Đô, Hà Nội...33
4.2. Đánh giá khả năng xử lý nước thải làng bún Phú Đô bằng phương pháp
Fenton dị thể................................................................................................38
4.2.1 Khảo sát điều kiện xử lý nước thải của phản ứng Fenton dị thể....38
4.2.2 Đánh giá khả năng xử lý nước thải làng bún Phú Đô bằng phản ứng
Fenton dị thể............................................................................................45
4.3. Xây dựng mô hình xử lý nước thải làng bún Phú Đô bằng phản ứng
Fenton dị thể quy mô hộ gia đình................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................54

vi


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BOD

Nhu cầu oxy sinh hoá (Biochemical oxygen Demand)

COD

Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

COD..............................................................................................39
Bảng 4: Ảnh hưởng của thể tích H2O2 tới hiệu quả xử lý COD..............41
Bảng 5: Khảo sát ảnh hưởng của môi trường pH.....................................42
Bảng 6: Hiệu quả xử lý của vật liệu thu hồi sau khi xử lý........................43
Bảng 7: Ứng dụng phản ứng Fenton dị thể vào xử lý mẫu nước thải thực
tế....................................................................................................45
Bảng 8: Hiệu suất xử lý COD của vật liệu được thu hồi..........................47

ix


MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Làng nghề là một nét đẹp trong nền văn hóa Việt Nam. Tuy nhiên
theo thời gian, công nghệ phát triển nhưng người dân vẫn giữ những tập tục
sản xuất xưa cũ, lạc hậu đã dẫn đến hệ quả nghiêm trọng. Các làng nghề dần
trở thành điểm nóng môi trường với các vấn đề tồn tại như: nước thải sản xuất
chưa được xử lý, chất thải rắn còn tồn đọng chiếm diện tích, ảnh hưởng tới
môi trường và sức khỏe con người, khí thải …
Phú Đô là một làng sản xuất bún thuộc huyện Từ Liêm, Hà Nội cũng
là một điểm nóng về vấn đề ô nhiễm môi trường. Hiện nay Phú Đô có khoảng
hơn 200 hộ làm bún với sản lượng khá cao, trung bình mỗi hộ sản xuất 1,5 tạ
bún mỗi ngày, thậm chí có hộ lên tới 1 tấn bún/ngày. Do vậy, lượng nước thải
do hoạt động sản xuất tạo ra là vô cùng lớn, tuy nhiên cả làng lại không hề áp
dụng biện pháp xử lý nước thải nào. Cho đến nay đã có một vài công trình
nghiên cứu về nước thải ở Phú Đô đồng thời ở cuối làng cũng có một hệ
thống xử lý nước thải tại hồ chứa ở cuối làng nhưng hiện nay hệ thống này
cũng đã tạm dừng hoạt động. Như vậy, nước thải sản xuất bún (với nồng độ

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

- Hiện trạng phát sinh nước thải tại làng bún Phú Đô, thành phố Hà Nội
- Phản ứng Fenton dị thể xử lý chất hữu cơ trong nước thải làng bún
Phú Đô, Hà Nội.
- Xây dựng mô hình xử lý nước thải sản xuất quy mô hộ gia đình tại làng
bún Phú Đô

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Quá trình Fenton

2.1.1.1. Quá trình Fenton đồng thể
Quá trình sản xuất ngày một phát triển, kèm theo đó lượng nước thải
sinh ra cùng ngày càng nhiều, nồng độ các chất ô nhiễm ngày càng gia tăng.
Việc ứng dụng ngày càng cao các công nghệ sản xuất mới, sử dụng các hóa
chất mới có hiệu quả cao, đã làm nồng độ ô nhiễm trong nước thải phức tạp
thêm, gia tăng các chất bẩn khó xử lý đặc biệt là các chất hữu cơ khó phân
hủy sinh học. Các phương pháp xử lý nước thải phổ biến như hiện nay bao
gồm xử lý hóa lý, xử lý sinh học…, có hiệu quả cao trong việc làm giảm nồng
độ các chất bẩn như cặn lơ lửng, các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Tuy
nhiên đối với các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học các các công nghệ trên
chưa đảm bảo được hiệu quả xử lý.
Giải pháp oxy hóa các chất khó phân hủy sinh học được tính đến trong
xử lý nước thải được đặt tên là oxy hóa bậc cao (AOPs- Advanced Oxidation
Processes). Giải pháp này đòi hỏi tạo ra một chất trung gian có hoạt tính cao,
có khả năng oxy hóa hiệu quả các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, trong

+ H2O2
+ Fe2+
+ H2O2
+ •OH2
+ •OH2
+ •OH2

→ Fe3+
→ Fe2+
→ OH→ H2O
→ Fe3+
→ Fe2+
→ H2O2

+ •OH + OH+ •OH 2 + H+
+ Fe3+
+ •OH 2
+ HO2+ O2 + H+
+ O2

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)

Theo các tác giả trên thì gốc tự do •OH sinh ra có khả năng phản ứng
với Fe2+ và H2O2 theo các phản ứng (3) và (4) nhưng quan trọng nhất là khả


OH-

Gốc •OH sau khi hình thành sẽ tham gia vào phản ứng oxi hóa các hợp
chất hữu cơ có trong nước cần xử lý, chuyển chất hữu cơ từ dạng cao phân tử
thành các chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp.
CHC (cao phân tử) + •HO  CHC (thấp phân tử) + CO2 + H2O + OH Trung hòa và keo tụ: Sau khi xảy ra quá trình oxi hóa cần nâng pH
dung dịch lên lớn hơn 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

5


 Quá trình lắng: Các bông keo sau khi hình thành sẽ lắng xuống làm
giảm nồng độ COD, màu, mùi có 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.
2.1.1.2 Quá trình Fenton dị thể

6


Một số ưu điểm đáng chú ý của quá trình Fenton dị thể trên goethite
theo Lin và Gurol, 1996:
- Chất xúc tác này có thể sử dụng trong một thời gian dài mà không cần
phải hoàn nguyên hoặc thay thế, đồng thời có thể tách ra dễ dàng khỏi khối
phản ứng. Trong quá trình Fenton đồng thể, ion sắt hòa tan không thể tách ra
khỏi khối phản ứng một cách đơn giản bằng quá trình lắng lọc, chỉ có cách
dùng kiềm để keo tụ và kết tủa, sau đó lắng và lọc, sinh ra một khối lượng lớn
bùn keo tụ chứa nhiều sắt.
- Tốc độ hình thành gốc hydroxyl tăng theo độ tăng pH trong khoảng từ
5-9, trong khi đó Fenton đồng thể tốc độ giảm mạnh khi pH tăng.
- Hiệu quả oxi hóa xúc tác của goethite không bị ảnh hưởng đáng kể
bởi nồng độ cacbonat vô cơ.
2.1.1.3 Quá trình Fenton cải tiến
Từ phản ứng Fenton ban đầu, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã
có các công trình nghiên cứu và tìm ra những cải tiến giúp phản ứng Fenton
trở nên ưu việt hơn. Do đó, quá trình Fenton cải tiến và đang thu hút sự quan
tâm lớn trong ngành xử lý nước từ những năm 1990
 Quá trình Fenton điện hóa:
Cho tới nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu về phản ứng Fenton
điện hóa như: Nguyễn Thị Lê Hiền, Phạm Thị Minh nghiên cứu về: Xử lý
metyl đỏ bằng phương pháp điện hóa năm 2009; Phạm Thị Minh, Nguyễn Thị
Lê Hiền, Đinh Thị Mai Thanh nghiên cứu về: Xử lý công gô đỏ bằng hiệu
ứng Fenton điện hóa năm 2010; Phạm Thị Minh, Nguyễn Thị Lê Hiền có
công trình nghiên cứu về sử dụng catot graphit/Ppy(oxit)/Ppy xử lý nước thải
bằng phương pháp Fenton điện hóa năm 2012.
Quá trình Fenton điện hóa (E.Fenton) là quá trình Fenton sử dụng các
tác nhân phản ứng sinh ra trong quá trình điện hóa.



Quá trình Fenton anot:
Trong quá trình này, nguồn ion Fe 2+ không phải đưa vào hệ, điện cực
sắt được sử dụng làm anot và là nguồn cung cấp Fe 2+, vì vậy cực anot bị mòn
dần và trở thành điện cực hy sinh trong quá trình điện hóa. Điện cực graphit
dùng làm catot để thực hiện quá trình khử oxi thành H 2O2. Vì vậy trong quá
trình này, tác nhân Fenton (Fe 2+/H2O2) được sinh ra bằng con đường điện hóa
ở trên điện cực anot và catot. Trong quá trình Fenton anot thiết bị phản ứng
điện hóa gồm 2 ngăn riêng biệt, giữa 2 ngăn nối bằng cầu nối là muối điện ly.
Quá trình Fenton anot ưu việt hơn Fenton cổ điển vì:
Quá trình Fenton anot thực hiện trong điều kiện trung tính. Độ pH của
nước xử lý khi đi ra cũng có thể được trung hòa bằng cách kết hợp các dung
dịch anot và catot ở 2 ngăn của thùng điện phân.
Không cần thêm Fe2+ vào hệ xử lý vì chúng được sinh ra liên tục nhờ sử
dụng điện cực hy sinh là sắt. Điều này có ý nghĩa thực tế rất quan trọng vì nếu
sử dụng muối Fe2+ như quá trình Fenton cổ điển sẽ gặp nhiều vấn do chúng rất
dễ hút nước và dễ bị oxi hóa khi bảo quản, hoặc nếu dùng muối Fe 3+ chúng có
tính ăn mòn và oxi hóa rất mạnh.
Quá trình Fenton catot:
Trong quá trình này Fe2+ được đưa vào hệ từ đầu và H2O2 được sinh ra
ngay trong hệ. Tuy nhiên về sau không cần bổ sung Fe 2+ vì Fe3+ sinh ra trong
phản ứng Fenton sẽ được khử ngay trên catot trong quá trình điện phân. Sự
khử Fe3+ để tạo ra Fe2+ và sự khử O2 để tạo H2O2 xảy ra đồng thời ở catot với
tốc độ gần như nhau. Trong quá trình Fenton catot thiết bị phản ứng điện hóa
là một khối không có vách ngăn cách. Điện cực anot được chế tạo bằng các
vật liệu trơ như platin, titan phủ màng mỏng platin, trong khi đó điện cực làm
catot là vật liện chứa cacbon (Rodgers và cộng sự, 1999)
Vì Fe2+ và H2O2 liên tục được sinh ra trong quá trình điện hóa với một
tốc độ kiểm soát được nên so với quá trình Fenton cổ điển thì Fenton catot

nhiễm hữu cơ, ngay cả những chất hữu cơ khó phân hủy như các loại thuốc
trừ sâu, diệt cỏ dại. Quá trình này được gọi là quá trình quang Fenton, thực
chất là quá trình Fenton được nâng cao nhờ bức xạ của các photon ánh sáng.

10


Bản chất quá trình quang Fenton:
Theo Trần Mạnh Trí và Trần Mạnh Trung (2006) trong những điều
kiện tối ưu của quá trình Fenton tức khi pH thấp (pH


trình tuần hoàn Fe3+/ Fe2+. Để giữ Fe ở trạng thái hòa tan, các nhà khoa học đã
và đang nghiên cứu sử dụng các chelat nhân tạo nhằm đẩy pH tối ưu của quá
trình lên vùng trung tính. Hợp chất humic là một trong các tác nhân được sử
dụng nhiều trong các hệ thống Fenton cải tiến hiện nay.
Hợp chất humic thường gặp trong tự nhiên có phân tử lượng lớn do kết
quả của sự biến đổi sinh học và hoá học của các vụn hữu cơ. Hợp chất humic
được phân loại là axit humic (HA), axit fulvic (FA) cũng như humin theo tính
tan của chúng. Axit humic có thể được sử dụng với chi phí tương đối thấp nhờ
sự điều chế kiềm từ than bùn hay than non, vì vậy nó rất sẵn có ở khắp mọi
nơi. Bên cạnh chức năng là chelat sắt, tác dụng khác của các hợp chất humic
trong hệ thống Fenton là khả năng là một chất hấp phụ các hợp chất hữu cơ
hydrophobic và là một chất khử.
Theo các nhà khoa học phản ứng ban đầu trong hệ thống là của Fe(III)
và H2O2 với nồng độ ban đầu của Fe(III) nhỏ hơn rất nhiều so với nồng độ của
H2O2. Bởi vậy, sự biến đổi của Fe(III) đã được cho rằng chính là yếu tố giới
hạn của bước phản ứng tạo ra OH• trong toàn bộ quá trình. Trong hệ thống
Fenton không có HA, tốc độ của phản ứng đã giảm một cách đáng kể khi tăng
dần pH, giá trị pH tối ưu của quá trình Fenton oxy hoá các hợp chất hữu cơ
phần lớn chúng nằm trong khoảng pH=2.5 - 3.5, khi dung dịch có pH=5-7 sẽ
xuất hiện sự kết tủa của Fe (III) dưới dạng Fe 2O3.nH2O tuy nhiên điều này
không còn xảy ra ở các dung dịch có Fe(III) và chứa HA nồng độ khoảng 10100 mg/l.
Hiệu quả xử lý của hệ thống Fenton cải tiến trong môi trường trung tính
đã được nghiên cứu với nhiều chất ô nhiễm khác nhau cho kết quả tương tự
nhau và khá khả quan so với hệ thống Fenton thông thường. Tại pH=3 tốc độ
của phản ứng chịu ảnh hưởng không đáng kể với sự có mặt của HA. Phản ứng
phân huỷ benzene tiến hành trong dung dịch không HA và có HA ở pH=3 có
hằng số tốc độ khác nhau không đáng kể, trường hợp không HA là K= (9.0 ±
0.9).10-3 min-1 và trong trường hợp có HA, K = (12 ± 2.0)10 -3min-1. Kết quả

nên nhanh hơn mà không cần HA. Nồng độ HA=10 mg/l đủ để giữ cho sắt tồn
tại trong dung dịch. Mặt khác, tác động tích cực của HA lên phản ứng oxy
hóa cũng tăng khi tăng nồng độ HA. Nếu cho nồng độ HA là 50 hoặc 100
mg/l, giai đoạn phản ứng chậm sẽ ngắn lại và 95% benzen bị phân hủy sau
thời gian phản ứng là 5h so với 35% trong dung dịch không có HA. Có kết
13


quả này là vì nhờ sự có mặt cả HA nên Fe(III) không bị kết tủa, không gây
ảnh hưởng đến chu trình tuần hoàn Fe3+/Fe2+
2.1.1.4 Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Fenton đã được rất nhiều nhà
khoa học đề cập đến trong công trình nghiên cứu của họ. Tổng hợp lại, các
yếu tố có sự ảnh hưởng lớn đến phản ứng là: pH, ảnh hưởng của tỉ lệ
Fe2+/H2O2 và loại ion Fe (Fe2+ hay Fe3+), ảnh hưởng của các anion vô cơ.
 Ảnh hưởng của độ pH
Trong phản ứng Fenton hệ đồng thể và quang Fenton, độ pH ảnh hưởng
rất lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ. Nhìn
chung, môi trường axit rất thuận lợi cho quá trình tạo gốc hydroxyl tự do •OH
theo phản ứng (1), trong khi ở môi trường pH cao, quá trình kết tủa Fe 3+ xảy ra
nhanh hơn quá trình khử của phản ứng (2), làm giảm nguồn tạo ra Fe 2+, trở thành
yếu tố hạn chế tốc độ phản ứng (Trần Mạnh Trí và Trần Mạnh Trung, 2006).
Nhiều nghiên cứu đã cho thấy phản ứng Fenton xảy ra thuận lợi khi pH
nằm trong khoảng 3 - 4, đạt được tốc độ cao nhất khi pH nằm trong khoảng
hẹp trên dưới 3. Một số thực nghiệm biểu hiện khi pH lớn hơn 4, tốc độ phản
ứng oxi hóa chất hữu cơ chậm lại. Theo các tác giả, nguyên nhân có thể là ở
khoảng pH lớn hơn 4, các chất trung gian hoạt động kém hơn gốc hydroxyl
hoặc chất trung gian không giải phóng ra gốc hydroxyl hoạt động (các phức
hydroxo của sắt III) đã hình thành thay vì gốc hydroxyl.
 Ảnh hưởng của tỉ lệ Fe2+/H2O2 và loại ion Fe (Fe2+ hay Fe3+)

Ứng dụng quá trình trong xử lý nước thải hiện nay ứng dụng quá trình
phenton chủ yếu xứ lý nước thải độc hại, chứa nhiều chất độc, chất hữu cơ
khó phân hủy như nước rỉ rác, nước thải bề mặt nhiễm thuốc trừ sâu, nước
thải dệt nhuộm.
2.1.2.1 Ứng dụng trong xử lý nước rỉ rác
Nước thải rỉ rác từ bãi chôn lấp rác có thành phần ô nhiễm nặng,
lượng BOD, COD, Nitơ cao, ngoài ra còn nhiều chất độc hại, khó phân hủy
sinh học sinh ra từ rác thải. Phương pháp xử lý sinh học có thể loại trừ các
thành phần hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học, nhưng không thể xử lý xử
lý được lượng lớn các chất khó phân hủy sinh học. Phản ứng Fenton có khả
năng phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ trong các loại nước rác khó xử lý. Nó
có thể tiến hành ở nhiệt độ bình thường và không có yêu cầu nào về ánh sáng.
Do vậy, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về phản ứng Fenton xử lý nước
15


rỉ rác như : Nguyễn Văn Phước, Võ Chí Cường Trường Đại học Bách khoa
thành phố Hồ Chí Minh có công trình: ‘‘nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý
COD khó phân hủy sinh học trong nước rác bằng phản ứng Fenton’’ hay Văn
Hữu Tập và cộng sự năm 2008 có nghiên cứu về ‘‘kết hợp keo tụ và Fenton
xử lý các thành phần hữu cơ trong nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn’’ với
hiệu suất xử lý COD nghiên cứu được lên đến 90%.

Hình 3: Sơ đồ công nghệ nhà máy xử lý nước rác tại bãi chôn lấp rác
Song Nguyên áp dụng phương pháp Fenton
2.1.2.2 Ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm
16