В проекти за нулево изпускане на въглищни химически отпадъчни води (CCW), разграждането на органичната материя често използва процес, подобен на този на градските отпадъчни води, включващ "предварително третиране + биохимично третиране + усъвършенствано третиране", преди да влезе в система за мембранна концентрация и кристализация чрез изпаряване. Отстраняването на CODcr след концентрация отдавна е предизвикателство в областта на нулевото изхвърляне на въглищни химически отпадъчни води. Някои осъществими технологии бяха пренебрегнати, докато неосъществимите технологии заеха централно място. Тази статия изследва приложимостта на адсорбцията с активен въглен при нулево изхвърляне на въглищни химически отпадъчни води за справка от специалисти по пречистване на вода.
I. Основни органични замърсители в химически отпадъчни води от въглища
Химическите отпадъчни води от въглища са типични трудни-за-третиране промишлени отпадъчни води, генерирани по време на различни процеси на преработка на въглища. Ароматните въглеводороди са основният фактор за CODcr в химическите отпадъчни води от въглища, като представляват над 50%. Бензенови съединения (BTEX, бензен, толуен, етилбензен, р-ксилен), феноли и полициклични ароматни въглеводороди (ПАВ) са типични примери. Джан и др. изследва промените в органичната материя в отпадъчните води от химически въглища по време на процеса на пречистване, доказвайки, че след процеса на „предварителна обработка + биохимична обработка + усъвършенствана обработка“, делът на големите молекули органична материя във водата се е увеличил (противно на твърденията на някои дизайнерски институти или EPC звена, че останалата органична материя е трудна-за-отстраняване на органична материя с малка молекула) и съставът става доминиран от ПАВ. (Справка: Zhang L, Liu H, Wang Y, et al. Характеристики на състава на разтворената органична материя по време на пречистването на отпадъчните води от втечняване на въглища и техните екологични последици [J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)
II. Изследване на ефективността на адсорбция на активен въглен за химически отпадъчни води от въглища
Точно оставащата органична материя, главно ПАВ, се превърна в проблема с тясното място в проекта за нулево-заустване на химически отпадъчни води от въглища. След като тези органични вещества навлязат в секцията за концентрация на мембраната, тяхната концентрация се удвоява. Някои дизайнерски институти или EPC звена силно насърчават технологията за адсорбция с активен въглен по време на етапа на концентриране на мембраната, без критичен анализ или въз основа на неоснователни твърдения. Те в крайна сметка заключават, че адсорбцията на CODcr с активен въглен е осъществима преди концентрацията на мембраната или кристализацията на изпаряване. Дали обаче технологията за адсорбция с активен въглен наистина е подходяща за по-нататъшно отстраняване на органична материя, предимно PAH?
Гранулираният активен въглен (GAC) има среден размер на порите между 3,2 и 3,4 nm, като микропорите представляват 25%–27%, а мезопорите представляват 73%–75%. ПАВ имат над 100 молекулярни структури, като нафталинът, аценафтенът, флуоренът и фенантренът са основните съединения в химическите отпадъчни води от въглища. Проучвания на Dinushika et al. са открили, че нафталинът и аценафтенът имат относително малки моларни обеми и молекулни размери, което води до относително високи скорости на адсорбция за тях от GAC, докато флуоренът и фенантренът имат относително големи моларни обеми и молекулни размери, което води до относително ниски скорости на адсорбция от GAC. GAC достига адсорбционно равновесие за нафталин и аценафтен за 4–8 часа, с адсорбционен капацитет от приблизително 14 mg/g. GAC достига адсорбционно равновесие за флуорен и фенантрен за 16–24 часа, с адсорбционен капацитет от приблизително 12 mg/g, еквивалентен на 36 mg CODcr/g GAC. (Справка: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Премахване на полициклични ароматни въглеводороди от вода с помощта на гранулиран активен въглен: кинетични и равновесни адсорбционни изследвания [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25 (14): 13511-13524.)
III. Дискусия за практическото приложение на адсорбцията с активен въглен
При практически приложения, ако времето на престой за адсорбция с активен въглен е настроено на 16–24 часа, ще са необходими множество адсорбционни филтри, което очевидно е непрактично. Времето на престой от около 4 часа е разумно, но по това време GAC основно адсорбира нафталин и няма значителен адсорбционен ефект върху други ПАВ като аценафтен, флуорен и фенантрен.
От гледна точка на мащаба на оборудването на адсорбционния филтърен слой, времето на престой от 4 часа не е кратко. Ако приемем, че оставащият воден обем на въглищните химически отпадъчни води след „предварително третиране + биологично третиране + усъвършенствано третиране + мембранна концентрация“ е 10 m³/h и времето на престой на адсорбционния филтърен слой е зададено на 4 часа, тогава са необходими 6 адсорбционни филтърни слоя с диаметър 1,8 m и височина 5 m (3 за използване и 3 за регенерация). По същия начин, ако обемът на водата, която трябва да се третира, е 100 m³/h, тогава ще са необходими 60 такива адсорбционни филтърни легла, което прави мащаба на оборудването доста голям.
По отношение на използването на GAC, като вземем гореспоменатите 10 m³/h химически отпадъчни води от въглища като пример, с CODcr от 1000 mg/L (30% от които е нафталин), време на задържане от 4 часа може да намали CODcr до 700 mg/L. Ако се очаква да се регенерират трите адсорбционни филтъра на всеки 7 дни (168 часа), тогава са необходими 14 t GAC в трите адсорбционни резервоара и 28 t GAC са необходими в шестте адсорбционни резервоара. Обемната плътност на GAC е 450~600 kg/m³, така че 28 t GAC са еквивалентни на 46~62 m³, което означава, че шестте адсорбционни филтъра са почти пълни (институт за проектиране често проектира да запълни адсорбционните филтри с GAC в проекти за отпадъчни води с нулево-заустване). За да се осигури времето на задържане и скоростта на обратно промиване, мащабът на оборудването трябва да бъде допълнително удвоен.
Освен това многобройни проучвания показват, че след 3~4 термични регенерации на GAC неговият адсорбционен капацитет пада до повече от 80% от този на новия въглерод и след 5~10 термични регенерации GAC е по същество неизползваем. Примерът по-горе предполага регенериране на всеки 7 дни, което означава, че тази партида активен въглен има продължителност на живот не повече от шест месеца, което води до огромни разходи за регенериране и подмяна на въглен. Освен това, регенерацията по същество включва освобождаване на органичната материя, адсорбирана от GAC, обратно в атмосферата; в действителност GAC не премахва наистина органичната материя.
