Anvendeligheten av aktivert karbonadsorpsjon i nullutslipp av kullkjemisk avløpsvann

I nullutslippsprosjekter for kjemisk avløpsvann fra kull (CCW), bruker nedbrytningen av organisk materiale ofte en prosess som ligner den for kommunalt avløpsvann, som involverer "forbehandling + biokjemisk behandling + avansert behandling," før den går inn i et membrankonsentrasjons- og fordampningskrystalliseringssystem. Fjerning av CODcr etter konsentrasjon har lenge vært en utfordring innen nullutslipp av kullkjemisk avløpsvann. Noen gjennomførbare teknologier har blitt oversett, mens ugjennomførbare teknologier har vært i sentrum. Denne artikkelen utforsker anvendeligheten av aktivert karbonadsorpsjon i nullutslipp av kjemisk avløpsvann fra kull for referanse av fagfolk innen vannbehandling.

Kjemisk avløpsvann fra kull er typisk vanskelig-å-behandle industrielt avløpsvann som genereres under ulike prosesser for kullbehandling. Aromatiske hydrokarboner er den viktigste bidragsyteren til CODcr i kjemisk avløpsvann fra kull, og utgjør over 50 %. Benzenforbindelser (BTEX, benzen, toluen, etylbenzen, p-xylen), fenoler og polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH) er typiske eksempler. Zhang et al. studerte endringene i organisk materiale i kullkjemisk avløpsvann under behandlingsprosessen, og beviste at etter "forbehandling + biokjemisk behandling + avansert behandling"-prosessen økte andelen av store molekyler av organisk materiale i vannet (i motsetning til påstandene fra noen designinstitutter eller EPC-enheter om at det gjenværende organiske materialet er vanskelig-å dominere det organiske molekylet) av PAH. (Referanse: Zhang L, Liu H, Wang Y, et al. Sammensetningskarakteristikker for oppløst organisk materiale under kullvæskebehandling av avløpsvann og dets miljømessige implikasjoner[J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)

Det er nettopp det gjenværende organiske materialet, hovedsakelig PAH, som har blitt flaskehalsproblemet i null-utslippsprosjektet for kjemisk avløpsvann fra kull. Etter at disse organiske stoffene kommer inn i membrankonsentrasjonsseksjonen, dobles konsentrasjonen deres. Noen designinstitutter eller EPC-enheter fremmer aktivt karbonadsorpsjonsteknologi under membrankonsentrasjonsstadiet, uten noen kritisk analyse eller basert på ubegrunnede påstander. De konkluderer til slutt med at aktivert karbonadsorpsjon av CODcr er mulig før membrankonsentrasjon eller fordampningskrystallisering. Men er aktivert karbon-adsorpsjonsteknologi virkelig egnet for ytterligere fjerning av organisk materiale, først og fremst PAH?

Granulært aktivert karbon (GAC) har en gjennomsnittlig porestørrelse mellom 3,2 og 3,4 nm, med mikroporer som står for 25 %–27 % og mesoporer står for 73 %–75 %. PAH-er har over 100 molekylære strukturer, med naftalen, acenaften, fluoren og fenantren som hovedforbindelsene i kjemisk avløpsvann fra kull. Studier av Dinushika et al. har funnet at naftalen og acenaften har relativt små molare volum og molekylstørrelser, noe som resulterer i relativt høye adsorpsjonshastigheter for dem av GAC, mens fluoren og fenantren har relativt store molare volum og molekylstørrelser, noe som fører til relativt lave adsorpsjonshastigheter av GAC. GAC når adsorpsjonslikevekt for naftalen og acenaften på 4–8 timer, med en adsorpsjonskapasitet på omtrent 14 mg/g. GAC når adsorpsjonslikevekt for fluoren og fenantren i løpet av 16–24 timer, med en adsorpsjonskapasitet på omtrent 12 mg/g, tilsvarende 36 mg CODcr/g GAC. (Referanse: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Fjerning av polysykliske aromatiske hydrokarboner fra vann ved bruk av granulært aktivert karbon: kinetiske og likevektsadsorpsjonsstudier[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(14): 1355241.1)

I praktiske applikasjoner, hvis oppholdstiden for adsorpsjon av aktivt karbon er satt til 16–24 timer, vil det være nødvendig med flere adsorpsjonsfiltre, noe som åpenbart er upraktisk. En oppholdstid på rundt 4 timer er rimelig, men på dette tidspunktet adsorberer GAC hovedsakelig naftalen, og har ingen signifikant adsorpsjonseffekt på andre PAH som acenaften, fluoren og fenantren.

Fra perspektivet til utstyrsskalaen til adsorpsjonsfiltersengen er en oppholdstid på 4 timer ikke kort. Forutsatt at det gjenværende vannvolumet av kullkjemisk avløpsvann etter "forbehandling + biologisk behandling + avansert behandling + membrankonsentrasjon" er 10 m³/t, og oppholdstiden til adsorpsjonsfilterbedet settes til 4 timer, så trengs det 6 adsorpsjonsfiltersenger med en diameter på 1,8 m og en høyde på 5 m for bruk og 33 m for regenerering (33). Tilsvarende, hvis vannvolumet som skal behandles er 100 m³/t, vil det være nødvendig med 60 slike adsorpsjonsfiltersenger, noe som gjør utstyrsskalaen ganske stor.

Når det gjelder GAC-bruk, kan en retensjonstid på 4 timer redusere CODcr til 700 mg/L, med en CODcr på 1000 mg/L (hvorav 30 % er naftalen). Hvis forventningen er å regenerere de tre adsorpsjonsfiltrene hver 7. dag (168 timer), så trengs det 14 t GAC i de tre adsorpsjonstankene, og 28 t GAC i de seks adsorpsjonstankene. Bulkdensiteten til GAC er 450~600 kg/m³, så 28 t GAC tilsvarer 46~62 m³, noe som betyr at de seks adsorpsjonsfiltrene er nesten fulle (et designinstitutt designer ofte for å fylle adsorpsjonsfiltre med GAC i null{16}}utslippsavløpsvannprosjekter). For å sikre retensjonstiden og ekspansjonshastigheten for tilbakeskylling, må utstyrsskalaen dobles ytterligere.

Videre har en rekke studier vist at etter 3~4 termiske regenereringer av GAC, synker dens adsorpsjonskapasitet til mer enn 80% av den for nytt karbon, og etter 5~10 termiske regenereringer er GAC i hovedsak ubrukelig. Eksemplet ovenfor antar regenerering hver 7. dag, noe som betyr at denne batchen med aktivt karbon har en levetid på ikke mer enn seks måneder, noe som resulterer i enorme kostnader for regenerering og erstatning av karbon. Videre innebærer regenerering i hovedsak å frigjøre det organiske materialet som er adsorbert av GAC tilbake til atmosfæren; i virkeligheten fjerner ikke GAC det organiske materialet.