У проектах з нульовим скидом для вугільно-хімічних стічних вод (CCW) для розкладання органічної речовини часто використовується процес, подібний до процесу муніципальних стічних вод, що включає «попереднє очищення + біохімічне очищення + розширене очищення» перед входом у мембранну систему концентрації та кристалізації випаровування. Видалення CODcr після концентрації вже давно є проблемою в області нульового скиду вугільних хімічних стічних вод. Деякі здійсненні технології були пропущені, тоді як нездійсненні технології посіли центральне місце. У цій статті досліджується застосовність адсорбції активованим вугіллям у нульовому скиді вугільних хімічних стічних вод для довідки спеціалістів з очищення води.
I. Основні органічні забруднювачі у вугільних хімічних стічних водах
Вугільні хімічні стічні води є типовими промисловими стічними водами, які важко{0}}очистити- та утворюються під час різних процесів переробки вугілля. Ароматичні вуглеводні є основним джерелом CODcr у вугільних хімічних стічних водах, на них припадає понад 50%. Типовими прикладами є сполуки бензолу (BTEX, бензол, толуол, етилбензол, п-ксилол), феноли та поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАВ). Чжан та ін. досліджував зміни органічної речовини у вугільно-хімічних стічних водах під час процесу очищення, довівши, що після процесу «попередня обробка + біохімічна очистка + поглиблена очистка» частка великих молекул органічної речовини у воді зросла (всупереч твердженням деяких проектних інститутів або відділів EPC, що решту органічної речовини важко--видалити дрібномолекулярну органіку), і склад став домінувати ПАУ. (Посилання: Zhang L, Liu H, Wang Y та ін. Композиційні характеристики розчиненої органічної речовини під час очищення стічних вод із зрідження вугілля та його екологічні наслідки [J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)
II. Дослідження ефективності адсорбції активованого вугілля для вугільних хімічних стічних вод
Саме залишки органічної речовини, головним чином ПАУ, стали вузьким місцем у проекті нульового-скиду вугільних хімічних стічних вод. Після того, як ці органічні речовини потрапляють у секцію концентрації мембрани, їх концентрація подвоюється. Деякі проектні інститути або підрозділи EPC наполегливо пропагують технологію адсорбції активованим вугіллям на етапі мембранного концентрування без будь-якого критичного аналізу або на основі необґрунтованих заяв. Зрештою вони дійшли висновку, що адсорбція CODcr активованим вугіллям можлива до концентрації на мембрані або кристалізації випаровування. Однак чи справді технологія адсорбції активованим вугіллям придатна для подальшого видалення органічних речовин, насамперед ПАУ?
Гранульоване активоване вугілля (GAC) має середній розмір пор від 3,2 до 3,4 нм, причому на мікропори припадає 25–27 %, а на мезопори – 73–75 %. ПАУ мають понад 100 молекулярних структур, причому нафталін, аценафтен, флуорен і фенантрен є основними сполуками в хімічних стічних водах вугілля. Дослідження Dinushika та ін. виявили, що нафталін і аценафтен мають відносно малі молярні об’єми та молекулярні розміри, що призводить до відносно високих рівнів адсорбції для них GAC, тоді як флуорен і фенантрен мають відносно великі молярні об’єми та молекулярні розміри, що призводить до відносно низьких швидкостей адсорбції GAC. GAC досягає адсорбційної рівноваги для нафталіну та аценафтену через 4–8 годин, з адсорбційною здатністю приблизно 14 мг/г. GAC досягає адсорбційної рівноваги для флуорену та фенантрену через 16–24 години з адсорбційною здатністю приблизно 12 мг/г, що еквівалентно 36 мг CODcr/г GAC. (Посилання: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Видалення поліциклічних ароматичних вуглеводнів із води за допомогою гранульованого активованого вугілля: дослідження кінетичної та рівноважної адсорбції [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(14): 13511-13524.)
III. Дискусія щодо практичного застосування адсорбції активованим вугіллям
У практичних застосуваннях, якщо час перебування для адсорбції активованого вугілля встановлено на 16–24 години, знадобляться кілька адсорбційних фільтрів, що, очевидно, непрактично. Час перебування близько 4 годин є розумним, але в цей час GAC переважно адсорбує нафталін і не має значного адсорбційного впливу на інші ПАУ, такі як аценафтен, флуорен і фенантрен.
З точки зору масштабу обладнання шару адсорбційного фільтра, час перебування 4 години не є коротким. Припускаючи, що залишковий об’єм води в хімічних стічних водах вугілля після «попередньої обробки + біологічної очистки + поглибленої обробки + мембранної концентрації» становить 10 м³/год, а час перебування шару адсорбційного фільтра встановлено на рівні 4 годин, тоді необхідно 6 шарів адсорбційного фільтра діаметром 1,8 м і висотою 5 м (3 для використання та 3 для регенерації). Подібним чином, якщо об’єм води, яка підлягає обробці, становить 100 м³/год, тоді знадобиться 60 таких шарів адсорбційних фільтрів, що робить масштаб обладнання досить великим.
З точки зору використання GAC, беручи вищезазначені 10 м³/год вугільних хімічних стічних вод як приклад, з CODcr 1000 мг/л (30% з яких становить нафталін), час утримування 4 год може знизити CODcr до 700 мг/л. Якщо очікується регенерація трьох адсорбційних фільтрів кожні 7 днів (168 годин), тоді 14 т ГАК необхідно в трьох адсорбційних резервуарах, а 28 т ГАК необхідно в шести адсорбційних резервуарах. Об’ємна щільність GAC становить 450~600 кг/м³, тому 28 т GAC еквівалентно 46~62 м³, тобто шість адсорбційних фільтрів майже заповнені (конструкторський інститут часто проектує заповнення адсорбційних фільтрів GAC у проектах з нульовим-скидом стічних вод). Щоб забезпечити час утримування та швидкість зворотного розширення, масштаб обладнання потрібно подвоїти.
Крім того, численні дослідження показали, що після 3~4 термічних регенерацій GAC його адсорбційна здатність падає до більш ніж 80% від адсорбційної здатності нового вуглецю, а після 5~10 термічних регенерацій GAC практично стає непридатним. Наведений вище приклад передбачає регенерацію кожні 7 днів, що означає, що ця партія активованого вугілля має термін служби не більше шести місяців, що призводить до величезних витрат на регенерацію та заміну вугілля. Крім того, регенерація по суті включає викид органічної речовини, адсорбованої GAC, назад в атмосферу; насправді GAC насправді не видаляє органічну речовину.