Aplicabilitatea adsorbției cărbunelui activat în descărcarea zero a apelor uzate chimice de cărbune

În proiectele de descărcare zero pentru apele uzate chimice de cărbune (CCW), degradarea materiei organice folosește adesea un proces similar cu cel al apelor uzate municipale, care implică „pretratare + tratare biochimică + tratare avansată”, înainte de a intra într-un sistem de concentrare membranară și cristalizare prin evaporare. Îndepărtarea CODcr după concentrare a fost mult timp o provocare în domeniul deversării zero a apelor uzate chimice de cărbune. Unele tehnologii fezabile au fost trecute cu vederea, în timp ce tehnologiile imposibil de realizat au ocupat centrul atenției. Acest articol explorează aplicabilitatea adsorbției cărbunelui activ în descărcarea zero a apelor uzate chimice de cărbune pentru referință de către profesioniștii în tratarea apei.

Apa uzată chimică de cărbune este o ape uzate industriale dificil-de-de tratat, generate în timpul diferitelor procese de procesare a cărbunelui. Hidrocarburile aromatice sunt principalul contributor la CODcr în apele uzate chimice de cărbune, reprezentând peste 50%. Compușii benzenului (BTEX, benzen, toluen, etilbenzen, p-xilen), fenoli și hidrocarburi aromatice policiclice (PAH) sunt exemple tipice. Zhang şi colab. a studiat modificările materiei organice din apele uzate chimice de cărbune în timpul procesului de tratare, demonstrând că, după procesul de „pretratare + tratare biochimică + tratare avansată”, proporția de molecule mari de materie organică din apă a crescut (contrar susținărilor unor institute de proiectare sau unități EPC că materia organică rămasă este greu-de eliminat{10}}, compoziția organică a devenit dominată de PAH), iar compoziția organică a devenit dominată de PAH. (Referință: Zhang L, Liu H, Wang Y, și colab. Caracteristicile compoziționale ale materiei organice dizolvate în timpul tratării apelor reziduale de lichefiere a cărbunelui și implicațiile sale de mediu [J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)

Tocmai materia organică rămasă, în principal HAP, a devenit problema blocajului în proiectul zero-deversare a apelor uzate chimice de cărbune. După ce aceste materii organice intră în secțiunea de concentrare a membranei, concentrația lor se dublează. Unele institute de proiectare sau unități EPC promovează puternic tehnologia de adsorbție a cărbunelui activ în timpul etapei de concentrare a membranei, fără nicio analiză critică sau bazate pe afirmații nefondate. În cele din urmă, ei concluzionează că adsorbția de carbon activat a CODcr este fezabilă înainte de concentrarea membranei sau cristalizarea prin evaporare. Cu toate acestea, tehnologia de adsorbție a cărbunelui activ este cu adevărat potrivită pentru îndepărtarea ulterioară a materiei organice, în primul rând HAP?

Cărbunele activat granular (GAC) are o dimensiune medie a porilor între 3,2 și 3,4 nm, microporii reprezentând 25%-27% și mezoporii reprezentând 73%-75%. HAP-urile au peste 100 de structuri moleculare, naftalina, acenaftena, fluorenul și fenantrenul fiind compușii principali din apele reziduale chimice de cărbune. Studiile lui Dinushika et al. au descoperit că naftalina și acenaftena au volume molare și dimensiuni moleculare relativ mici, ceea ce duce la rate de adsorbție relativ ridicate pentru ele de către GAC, în timp ce fluorenul și fenantrenul au volume molare și dimensiuni moleculare relativ mari, ceea ce duce la rate de adsorbție relativ scăzute de către GAC. GAC atinge echilibrul de adsorbție pentru naftalină și acenaftenă în 4-8 ore, cu o capacitate de adsorbție de aproximativ 14 mg/g. GAC atinge echilibrul de adsorbție pentru fluoren și fenantren în 16–24 ore, cu o capacitate de adsorbție de aproximativ 12 mg/g, echivalent cu 36 mg CODcr/g GAC. (Referință: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M și colab. Eliminarea hidrocarburilor aromatice policiclice din apă folosind carbon activat granular: studii de adsorbție cinetică și de echilibru [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25 (14): 13511-13524.)

În aplicațiile practice, dacă timpul de rezidență pentru adsorbția cărbunelui activ este setat la 16-24 ore, ar fi necesare filtre de adsorbție multiple, ceea ce este evident nepractic. Un timp de rezidență de aproximativ 4 ore este rezonabil, dar în acest moment, GAC adsorbe în principal naftalina și nu are un efect semnificativ de adsorbție asupra altor PAH, cum ar fi acenaftena, fluorenul și fenantrenul.

Din perspectiva scalei echipamentelor patului filtrant de adsorbție, un timp de ședere de 4 ore nu este scurt. Presupunând că volumul de apă rămas al apei uzate chimice de cărbune după „pretratare + tratare biologică + tratare avansată + concentrație membranară” este de 10 m³/h, iar timpul de rezidență al patului filtrant de adsorbție este setat la 4 ore, apoi sunt necesare 6 paturi filtrante de adsorbție cu un diametru de 1,8 m și o înălțime de 5 m și 3 pentru regenerare (3 pentru regenerare). În mod similar, dacă volumul de apă de tratat este de 100 m³/h, atunci ar fi necesare 60 de astfel de paturi filtrante de adsorbție, ceea ce face ca scara echipamentului să fie destul de mare.

În ceea ce privește utilizarea GAC, luând ca exemplu apele uzate chimice de cărbune de 10 m³/h menționate mai sus, cu un CODcr de 1000 mg/L (din care 30% este naftalină), un timp de retenție de 4 ore poate reduce CODcr la 700 mg/L. Dacă așteptarea este regenerarea celor trei filtre de adsorbție la fiecare 7 zile (168 h), atunci sunt necesare 14 t de GAC în cele trei rezervoare de adsorbție și 28 t de GAC în cele șase rezervoare de adsorbție. Densitatea în vrac a GAC ​​este de 450~600 kg/m³, deci 28 t de GAC este echivalentă cu 46~62 m³, ceea ce înseamnă că cele șase filtre de adsorbție sunt aproape pline (un institut de proiectare proiectează adesea să umple filtrele de adsorbție cu GAC în proiecte cu zero-deversare de apă uzată). Pentru a asigura timpul de retenție și rata de expansiune cu spălare în contra, scala echipamentului trebuie dublată în continuare.

Mai mult, numeroase studii au arătat că după 3-4 regenerări termice ale GAC, capacitatea sa de adsorbție scade la mai mult de 80% din cea a carbonului nou, iar după 5-10 regenerări termice, GAC-ul este practic inutilizabil. Exemplul de mai sus presupune regenerarea la fiecare 7 zile, ceea ce înseamnă că acest lot de cărbune activ are o durată de viață de cel mult șase luni, ceea ce duce la costuri uriașe pentru regenerare și înlocuire a carbonului. În plus, regenerarea implică în esență eliberarea materiei organice adsorbite de GAC înapoi în atmosferă; în realitate, GAC nu elimină cu adevărat materia organică.