Primjenjivost adsorpcije aktivnog ugljena u nultom ispuštanju kemijskih otpadnih voda iz ugljena

U projektima nultog ispuštanja kemijske otpadne vode iz ugljena (CCW), razgradnja organske tvari često koristi proces sličan onom komunalne otpadne vode, uključujući "prethodnu obradu + biokemijsku obradu + naprednu obradu," prije ulaska u sustav membranske koncentracije i kristalizacije isparavanjem. Uklanjanje CODcr nakon koncentracije dugo je bio izazov u području nultog ispuštanja kemijskih otpadnih voda iz ugljena. Neke izvedive tehnologije su zanemarene, dok su neizvedive tehnologije zauzele središnje mjesto. Ovaj članak istražuje primjenjivost adsorpcije aktivnim ugljenom u nultom ispuštanju kemijske otpadne vode iz ugljena za referencu stručnjaka za obradu vode.

Kemijska otpadna voda iz ugljena tipična je industrijska otpadna voda-{1}}koja se teško pročišćava i koja nastaje tijekom raznih procesa obrade ugljena. Aromatični ugljikovodici glavni su uzročnici CODcr u kemijskim otpadnim vodama ugljena, s udjelom od preko 50%. Tipični primjeri su benzenski spojevi (BTEX, benzen, toluen, etilbenzen, p-ksilen), fenoli i policiklički aromatski ugljikovodici (PAH). Zhang i sur. proučavao je promjene u organskoj tvari u otpadnoj vodi od kemijskih ugljena tijekom procesa obrade, dokazujući da se nakon procesa "prethodne obrade + biokemijske obrade + napredne obrade" povećao udio velikih molekula organske tvari u vodi (suprotno tvrdnjama nekih instituta za projektiranje ili EPC jedinica da je preostalu organsku tvar teško--ukloniti male molekule organske tvari), a sastavom je počela dominirati PAH-ovi. (Referenca: Zhang L, Liu H, Wang Y, et al. Karakteristike sastava otopljene organske tvari tijekom obrade otpadnih voda od ukapljivanja ugljena i njihove implikacije na okoliš[J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)

Upravo je preostala organska tvar, uglavnom PAH, ono što je postalo problem uskog grla u projektu nultog-ispuštanja kemijskih otpadnih voda iz ugljena. Nakon što te organske tvari uđu u koncentracijski dio membrane, njihova se koncentracija udvostručuje. Neki dizajnerski instituti ili EPC jedinice snažno promoviraju tehnologiju adsorpcije aktivnog ugljena tijekom faze koncentracije membrane, bez ikakve kritičke analize ili na temelju neutemeljenih tvrdnji. U konačnici su zaključili da je adsorpcija CODcr aktivnim ugljenom moguća prije membranske koncentracije ili kristalizacije isparavanjem. Međutim, je li tehnologija adsorpcije aktivnim ugljenom uistinu prikladna za daljnje uklanjanje organskih tvari, prvenstveno PAH-ova?

Granulirani aktivni ugljen (GAC) ima prosječnu veličinu pora između 3,2 i 3,4 nm, pri čemu mikropore čine 25%–27%, a mezopore 73%–75%. PAH-ovi imaju više od 100 molekularnih struktura, pri čemu su naftalen, acenaften, fluoren i fenantren glavni spojevi u kemijskim otpadnim vodama ugljena. Studije Dinushike i sur. otkrili su da naftalen i acenaften imaju relativno male molarne volumene i molekularne veličine, što rezultira relativno visokim stopama adsorpcije za njih od strane GAC, dok fluoren i fenantren imaju relativno velike molarne volumene i veličine molekula, što dovodi do relativno niskih stopa adsorpcije od strane GAC. GAC postiže adsorpcijsku ravnotežu za naftalen i acenaften za 4-8 h, s adsorpcijskim kapacitetom od približno 14 mg/g. GAC postiže adsorpcijsku ravnotežu za fluoren i fenantren za 16-24 h, s kapacitetom adsorpcije od približno 12 mg/g, što je ekvivalentno 36 mg CODcr/g GAC. (Referenca: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Uklanjanje policikličkih aromatskih ugljikovodika iz vode pomoću granuliranog aktivnog ugljena: studije kinetičke i ravnotežne adsorpcije [J]. Znanost o okolišu i istraživanje onečišćenja, 2018., 25(14): 13511-13524.)

U praktičnim primjenama, ako je vrijeme zadržavanja za adsorpciju aktivnog ugljena postavljeno na 16-24 h, bilo bi potrebno višestruki adsorpcijski filteri, što je očito nepraktično. Razumno je vrijeme zadržavanja od oko 4 sata, ali u ovom trenutku GAC uglavnom adsorbira naftalen i nema značajan adsorpcijski učinak na druge PAH-ove kao što su acenaften, fluoren i fenantren.

Iz perspektive opreme sloja adsorpcijskog filtera, vrijeme zadržavanja od 4 sata nije kratko. Pod pretpostavkom da je preostali volumen vode kemijske otpadne vode iz ugljena nakon "predobrade + biološke obrade + napredne obrade + membranske koncentracije" 10 m³/h, a vrijeme zadržavanja sloja adsorpcijskog filtra postavljeno na 4 sata, tada je potrebno 6 slojeva adsorpcijskog filtra promjera 1,8 m i visine 5 m (3 za upotrebu i 3 za regeneraciju). Slično, ako je volumen vode koju treba pročišćavati 100 m³/h, tada bi bilo potrebno 60 takvih adsorpcijskih filtarskih slojeva, što čini opremu prilično velikom.

Što se tiče upotrebe GAC-a, uzimajući gore spomenutu kemijsku otpadnu vodu od 10 m³/h ugljena kao primjer, s CODcr od 1000 mg/L (od čega je 30% naftalen), vrijeme zadržavanja od 4 h može smanjiti CODcr na 700 mg/L. Ako se očekuje regeneracija tri adsorpcijska filtra svakih 7 dana (168 h), tada je potrebno 14 t GAC-a u tri adsorpcijska spremnika, a 28 t GAC-a potrebno je u šest adsorpcijskih spremnika. Nasipna gustoća GAC-a je 450~600 kg/m³, tako da je 28 t GAC-a ekvivalentno 46~62 m³, što znači da je šest adsorpcijskih filtara gotovo puno (institut za dizajn često dizajnira punjenje adsorpcijskih filtara GAC-om u projektima bez-ispuštanja otpadnih voda). Kako bi se osiguralo vrijeme zadržavanja i brzina ekspanzije povratnog ispiranja, ljestvicu opreme potrebno je dodatno udvostručiti.

Nadalje, brojne studije su pokazale da nakon 3~4 toplinske regeneracije GAC-a, njegov kapacitet adsorpcije pada na više od 80% onog novog ugljika, a nakon 5~10 toplinskih regeneracija, GAC je u biti neupotrebljiv. Gornji primjer pretpostavlja regeneraciju svakih 7 dana, što znači da ova serija aktivnog ugljena ima vijek trajanja od najviše šest mjeseci, što rezultira velikim troškovima za regeneraciju i zamjenu ugljena. Nadalje, regeneracija u osnovi uključuje otpuštanje organske tvari koju je adsorbirao GAC natrag u atmosferu; u stvarnosti, GAC zapravo ne uklanja organsku tvar.