Tillämpligheten av adsorption av aktivt kol vid nollutsläpp av kolkemiskt avloppsvatten

I noll-utsläppsprojekt för kolkemiskt avloppsvatten (CCW) använder nedbrytningen av organiskt material ofta en process som liknar den för kommunalt avloppsvatten, som involverar "förbehandling + biokemisk behandling + avancerad behandling" innan den går in i ett membrankoncentrations- och förångningskristallisationssystem. Avlägsnandet av CODcr efter koncentration har länge varit en utmaning inom området för nollutsläpp av kolkemiskt avloppsvatten. Vissa genomförbara tekniker har förbisetts, medan omöjliga tekniker har tagit centrala scenen. Den här artikeln undersöker tillämpligheten av adsorption av aktivt kol i nollutsläpp av kolkemiskt avloppsvatten för referens av vattenreningspersonal.

Kolkemiskt avloppsvatten är ett typiskt svårt-att-avloppsvatten från industri som genereras under olika kolbearbetningsprocesser. Aromatiska kolväten är den största bidragsgivaren till CODcr i kolkemiskt avloppsvatten, och står för över 50 %. Bensenföreningar (BTEX, bensen, toluen, etylbensen, p-xylen), fenoler och polycykliska aromatiska kolväten (PAH) är typiska exempel. Zhang et al. studerade förändringarna i organiskt material i kolkemiskt avloppsvatten under reningsprocessen, vilket bevisade att efter "förbehandling + biokemisk behandling + avancerad behandling"-processen ökade andelen stora molekyler av organiskt material i vattnet (i motsats till påståendena från vissa designinstitut eller EPC-enheter att det kvarvarande organiskt materialet är svårt-att dominera den organiska sammansättningen) av PAH. (Referens: Zhang L, Liu H, Wang Y, et al. Sammansättningsegenskaper hos löst organiskt material under rening av kolvätskeavloppsvatten och dess miljökonsekvenser[J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)

Det är just det kvarvarande organiska materialet, främst PAH, som har blivit flaskhalsproblemet i projektet med noll-utsläpp av kolkemiskt avloppsvatten. Efter att dessa organiska ämnen kommit in i membrankoncentrationssektionen fördubblas deras koncentration. Vissa designinstitut eller EPC-enheter främjar starkt adsorptionsteknologi för aktivt kol under membrankoncentrationsstadiet, utan någon kritisk analys eller baserat på ogrundade påståenden. De drar slutligen slutsatsen att aktivt koladsorption av CODcr är möjlig före membrankoncentration eller förångningskristallisation. Men är tekniken för adsorption av aktivt kol verkligen lämplig för ytterligare avlägsnande av organiskt material, främst PAH?

Granulärt aktivt kol (GAC) har en genomsnittlig porstorlek mellan 3,2 och 3,4 nm, med mikroporer som står för 25 %–27 % och mesoporer står för 73 %–75 %. PAH har över 100 molekylära strukturer, där naftalen, acenaften, fluoren och fenantren är huvudföreningarna i kolkemiskt avloppsvatten. Studier av Dinushika et al. har funnit att naftalen och acenaften har relativt små molvolymer och molekylstorlekar, vilket resulterar i relativt höga adsorptionshastigheter för dem av GAC, medan fluoren och fenantren har relativt stora molära volymer och molekylstorlekar, vilket leder till relativt låga adsorptionshastigheter av GAC. GAC når adsorptionsjämvikt för naftalen och acenaften på 4–8 timmar, med en adsorptionskapacitet på cirka 14 mg/g. GAC når adsorptionsjämvikt för fluoren och fenantren på 16–24 timmar, med en adsorptionskapacitet på cirka 12 mg/g, motsvarande 36 mg CODcr/g GAC. (Referens: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Avlägsnande av polycykliska aromatiska kolväten från vatten med hjälp av granulärt aktivt kol: kinetiska och jämviktsadsorptionsstudier[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(14): 1355211-135524.1)

I praktiska tillämpningar, om uppehållstiden för adsorption av aktivt kol är inställd på 16–24 timmar, skulle flera adsorptionsfilter krävas, vilket uppenbarligen är opraktiskt. En uppehållstid på cirka 4 timmar är rimlig, men vid denna tidpunkt adsorberar GAC huvudsakligen naftalen och har ingen signifikant adsorptionseffekt på andra PAH såsom acenaften, fluoren och fenantren.

Ur perspektivet av utrustningsskalan för adsorptionsfilterbädden är en uppehållstid på 4 timmar inte kort. Om man antar att den återstående vattenvolymen av kolkemiskt avloppsvatten efter "förbehandling + biologisk behandling + avancerad behandling + membrankoncentration" är 10 m³/h, och uppehållstiden för adsorptionsfilterbädden sätts till 4 timmar, så behövs 6 adsorptionsfilterbäddar med en diameter på 1,8 m och en höjd på 5 m för regenerering och 33 m för regenerering. På liknande sätt, om vattenvolymen som ska behandlas är 100 m³/h, skulle 60 sådana adsorptionsfilterbäddar behövas, vilket gör utrustningens skala ganska stor.

När det gäller GAC-användning, med ovannämnda 10 m³/h kolkemiskt avloppsvatten som ett exempel, med en CODcr på 1000 mg/L (varav 30 % är naftalen), kan en retentionstid på 4 timmar minska CODcr till 700 mg/L. Om förväntningen är att regenerera de tre adsorptionsfiltren var 7:e dag (168 h), så behövs 14 t GAC i de tre adsorptionstankarna och 28 t GAC i de sex adsorptionstankarna. Bulkdensiteten för GAC är 450~600 kg/m³, så 28 t GAC motsvarar 46~62 m³, vilket betyder att de sex adsorptionsfiltren är nästan fulla (ett designinstitut designar ofta för att fylla adsorptionsfilter med GAC i noll{16}}avloppsvattenprojekt). För att säkerställa retentionstiden och backspolningsexpansionshastigheten måste utrustningsskalan ytterligare fördubblas.

Dessutom har ett flertal studier visat att efter 3~4 termiska regenerationer av GAC, sjunker dess adsorptionskapacitet till mer än 80% av den för nytt kol, och efter 5~10 termiska regenerationer är GAC i princip oanvändbar. Exemplet ovan antar regenerering var 7:e dag, vilket innebär att denna sats av aktivt kol har en livslängd på högst sex månader, vilket resulterar i enorma kostnader för regenerering och kolersättning. Vidare innebär regenerering i huvudsak att släppa ut det organiska materialet som adsorberas av GAC tillbaka till atmosfären; i verkligheten tar GAC inte riktigt bort det organiska materialet.