Použitelnost adsorpce aktivního uhlí při nulovém vypouštění uhelných chemických odpadních vod

V projektech s nulovým vypouštěním uhelných chemických odpadních vod (CCW) degradace organické hmoty často využívá proces podobný procesu komunální odpadní vody, zahrnující „předúpravu + biochemické ošetření + pokročilé čištění“ před vstupem do systému membránové koncentrace a odpařovací krystalizace. Odstranění CHSKcr po zahuštění je dlouho výzvou v oblasti nulového vypouštění uhelných chemických odpadních vod. Některé proveditelné technologie byly přehlíženy, zatímco nerealizovatelné technologie se dostaly do centra pozornosti. Tento článek zkoumá použitelnost adsorpce aktivního uhlí při nulovém vypouštění uhelných chemických odpadních vod pro referenci odborníků na úpravu vody.

Uhelné chemické odpadní vody jsou typicky obtížně čistitelné--průmyslové odpadní vody vznikající při různých procesech zpracování uhlí. Aromatické uhlovodíky jsou hlavním přispěvatelem k CHSKcr v uhelných chemických odpadních vodách, které představují více než 50 %. Typickými příklady jsou sloučeniny benzenu (BTEX, benzen, toluen, ethylbenzen, p-xylen), fenoly a polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH). Zhang a kol. studovali změny organické hmoty v uhelných chemických odpadních vodách během procesu čištění a prokázali, že po procesu „předúprava + biochemická úprava + pokročilá úprava“ se zvýšil podíl velkých molekul organické hmoty ve vodě (v rozporu s tvrzením některých konstrukčních institutů nebo jednotek EPC, že zbývající organickou hmotu je obtížné--odstranit organickou hmotu s malými molekulami) a ve složení převládají PAH. (Odkaz: Zhang L, Liu H, Wang Y, et al. Charakteristiky složení rozpuštěné organické hmoty během čištění odpadních vod zkapalňováním uhlí a jeho environmentální implikace[J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)

Právě zbývající organická hmota, zejména PAU, se stala problémem v projektu nulového vypouštění-uhelných chemických odpadních vod. Po vstupu těchto organických látek do membránové koncentrační sekce se jejich koncentrace zdvojnásobí. Některé projekční ústavy nebo jednotky EPC silně propagují technologii adsorpce aktivního uhlí během fáze koncentrace membrány bez jakékoli kritické analýzy nebo na základě nepodložených tvrzení. Nakonec dochází k závěru, že adsorpce CHSKcr aktivním uhlím je možná před membránovou koncentrací nebo odpařovací krystalizací. Je však technologie adsorpce aktivního uhlí skutečně vhodná pro další odstraňování organických látek, především PAH?

Granulární aktivní uhlí (GAC) má průměrnou velikost pórů mezi 3,2 a 3,4 nm, přičemž mikropóry představují 25 %–27 % a mezopóry představují 73 %–75 %. PAU mají více než 100 molekulárních struktur, přičemž hlavními sloučeninami v uhelných chemických odpadních vodách jsou naftalen, acenaften, fluoren a fenantren. Studie Dinushika et al. zjistili, že naftalen a acenaften mají relativně malé molární objemy a velikosti molekul, což vede k relativně vysokým rychlostem adsorpce pomocí GAC, zatímco fluoren a fenantren mají relativně velké molární objemy a velikosti molekul, což vede k relativně nízkým rychlostem adsorpce pomocí GAC. GAC dosáhne adsorpční rovnováhy pro naftalen a acenaften za 4–8 hodin, s adsorpční kapacitou přibližně 14 mg/g. GAC dosáhne adsorpční rovnováhy pro fluoren a fenantren za 16–24 h, s adsorpční kapacitou přibližně 12 mg/g, což odpovídá 36 mg CHSKcr/g GAC. (Odkaz: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Odstranění polycyklických aromatických uhlovodíků z vody pomocí granulovaného aktivního uhlí: kinetické a rovnovážné adsorpční studie[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(14): 135411-1352

V praktických aplikacích, pokud je doba zdržení pro adsorpci aktivního uhlí nastavena na 16–24 h, by bylo zapotřebí více adsorpčních filtrů, což je samozřejmě nepraktické. Doba zdržení kolem 4 hodin je rozumná, ale v této době GAC adsorbuje hlavně naftalen a nemá žádný významný adsorpční účinek na jiné PAH, jako je acenaften, fluoren a fenantren.

Z hlediska měřítka vybavení adsorpčního filtračního lože není doba zdržení 4 hodiny krátká. Za předpokladu, že zbývající objem vody uhelných chemických odpadních vod po „předčištění + biologické čištění + pokročilé čištění + membránová koncentrace“ je 10 m³/h a doba zdržení adsorpčního filtračního lože je nastavena na 4 hodiny, pak je potřeba 6 adsorpčních filtračních loži o průměru 1,8 m a výšce 5 m (3 pro použití a 3 pro regeneraci). Podobně, pokud je objem vody, která má být upravena, 100 m³/h, pak by bylo zapotřebí 60 takových adsorpčních filtračních lůžek, což činí rozsah zařízení poměrně velký.

Pokud jde o použití GAC, vezmeme-li jako příklad výše zmíněných 10 m³/h uhelných chemických odpadních vod, s CHSKcr 1000 mg/l (30 % z toho je naftalen), retenční čas 4 h může snížit CHSKcr na 700 mg/l. Pokud se předpokládá regenerace tří adsorpčních filtrů každých 7 dní (168 h), pak je potřeba 14 t GAC ve třech adsorpčních nádržích a 28 t GAC v šesti adsorpčních nádržích. Objemová hustota GAC ​​je 450~600 kg/m³, takže 28 t GAC odpovídá 46~62 m³, což znamená, že šest adsorpčních filtrů je téměř plných (výrobní institut často navrhuje naplnit adsorpční filtry GAC v projektech s nulovým vypouštěním odpadních vod). Aby se zajistila doba zdržení a rychlost expanze zpětného proplachu, je třeba měřítko zařízení dále zdvojnásobit.

Kromě toho četné studie ukázaly, že po 3~4 tepelných regeneracích GAC jeho adsorpční kapacita klesne na více než 80 % kapacity nového uhlíku a po 5~10 tepelných regeneracích je GAC v podstatě nepoužitelný. Výše uvedený příklad předpokládá regeneraci každých 7 dní, což znamená, že tato šarže aktivního uhlí nemá životnost delší než šest měsíců, což má za následek obrovské náklady na regeneraci a výměnu uhlíku. Kromě toho regenerace v podstatě zahrnuje uvolnění organické hmoty adsorbované GAC zpět do atmosféry; ve skutečnosti GAC skutečně neodstraňuje organickou hmotu.