Bij nullozingsprojecten voor chemisch afvalwater (CCW) uit kolen wordt bij de afbraak van organisch materiaal vaak gebruik gemaakt van een proces dat vergelijkbaar is met dat van gemeentelijk afvalwater, waarbij sprake is van "voorbehandeling + biochemische behandeling + geavanceerde behandeling", voordat het een membraanconcentratie- en verdampingskristallisatiesysteem binnengaat. Het verwijderen van CODcr na concentratie is lange tijd een uitdaging geweest op het gebied van nullozing van kolenchemisch afvalwater. Sommige haalbare technologieën zijn over het hoofd gezien, terwijl onhaalbare technologieën centraal staan. Dit artikel onderzoekt de toepasbaarheid van adsorptie van actieve kool bij nullozing van chemisch afvalwater uit steenkool ter referentie door waterzuiveringsprofessionals.
I. Belangrijke organische verontreinigende stoffen in chemisch afvalwater van steenkool
Chemisch afvalwater uit steenkool is typisch moeilijk-te-behandeling van industrieel afvalwater dat wordt gegenereerd tijdens verschillende steenkoolverwerkingsprocessen. Aromatische koolwaterstoffen leveren de grootste bijdrage aan CZVcr in chemisch afvalwater van steenkool, goed voor meer dan 50%. Benzeenverbindingen (BTEX, benzeen, tolueen, ethylbenzeen, p-xyleen), fenolen en polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) zijn typische voorbeelden. Zhang et al. bestudeerde de veranderingen in organisch materiaal in kolenchemisch afvalwater tijdens het zuiveringsproces, wat bewees dat na het "voorbehandeling + biochemische behandeling + geavanceerde behandeling" proces het aandeel grote moleculen organisch materiaal in het water toenam (in tegenstelling tot de beweringen van sommige ontwerpinstituten of EPC-eenheden dat het resterende organische materiaal moeilijk -om kleine moleculen-organisch materiaal te verwijderen is), en dat de samenstelling werd gedomineerd door PAK's. (Referentie: Zhang L, Liu H, Wang Y, et al. Samenstellingskenmerken van opgelost organisch materiaal tijdens de afvalwaterzuivering door steenkoolliquefactie en de gevolgen ervan voor het milieu [J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)
II. Onderzoek naar de adsorptieprestaties van actieve kool voor chemisch afvalwater van steenkool
Het is juist het resterende organische materiaal, voornamelijk PAK's, dat het knelpuntprobleem is geworden in het nul-lozingsproject van kolenchemisch afvalwater. Nadat deze organische stoffen het membraanconcentratiegedeelte binnenkomen, verdubbelt hun concentratie. Sommige ontwerpinstituten of EPC-eenheden promoten sterk de technologie van actieve kooladsorptie tijdens de membraanconcentratiefase, zonder enige kritische analyse of gebaseerd op ongegronde claims. Ze concluderen uiteindelijk dat actieve kooladsorptie van CODcr haalbaar is vóór membraanconcentratie of verdampingskristallisatie. Maar is de actievekooladsorptietechnologie werkelijk geschikt voor verdere verwijdering van organisch materiaal, vooral PAK's?
Granulaire actieve kool (GAC) heeft een gemiddelde poriegrootte tussen 3,2 en 3,4 nm, waarbij microporiën 25% tot 27% uitmaken en mesoporiën 73% tot 75%. PAK's hebben meer dan 100 moleculaire structuren, waarbij naftaleen, acenafteen, fluoreen en fenantreen de belangrijkste verbindingen zijn in chemisch afvalwater van steenkool. Studies door Dinushika et al. hebben ontdekt dat naftaleen en acenafteen relatief kleine molaire volumes en moleculaire afmetingen hebben, wat resulteert in relatief hoge adsorptiesnelheden voor hen door GAC, terwijl fluoreen en fenantreen relatief grote molaire volumes en moleculaire afmetingen hebben, wat leidt tot relatief lage adsorptiesnelheden door GAC. GAC bereikt adsorptie-evenwicht voor naftaleen en acenafteen in 4–8 uur, met een adsorptiecapaciteit van ongeveer 14 mg/g. GAC bereikt binnen 16-24 uur het adsorptie-evenwicht voor fluoreen en fenantreen, met een adsorptiecapaciteit van ongeveer 12 mg/g, wat overeenkomt met 36 mg CODcr/g GAC. (Referentie: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Polycyclische aromatische koolwaterstoffen uit water verwijderen met behulp van korrelige actieve kool: kinetische en evenwichtsadsorptiestudies [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(14): 13511-13524.)
III. Discussie over de praktische toepassing van actieve kooladsorptie
In praktische toepassingen zouden, als de verblijftijd voor adsorptie van actieve kool is ingesteld op 16–24 uur, meerdere adsorptiefilters nodig zijn, wat uiteraard onpraktisch is. Een verblijftijd van ongeveer 4 uur is redelijk, maar op dit moment adsorbeert GAC voornamelijk naftaleen en heeft het geen significant adsorptie-effect op andere PAK's zoals acenafteen, fluoreen en fenantreen.
Vanuit het perspectief van de uitrustingsschaal van het adsorptiefilterbed is een verblijftijd van 4 uur niet kort. Aangenomen dat het resterende watervolume van kolenchemisch afvalwater na "voorbehandeling + biologische behandeling + geavanceerde behandeling + membraanconcentratie" 10 m³/u bedraagt, en de verblijftijd van het adsorptiefilterbed op 4 uur wordt gesteld, dan zijn 6 adsorptiefilterbedden met een diameter van 1,8 m en een hoogte van 5 m nodig (3 voor gebruik en 3 voor regeneratie). Op soortgelijke wijze zouden, als het te behandelen watervolume 100 m³/u bedraagt, 60 van dergelijke adsorptiefilterbedden nodig zijn, waardoor de schaal van de apparatuur behoorlijk groot wordt.
Wat het GAC-gebruik betreft, waarbij het bovengenoemde 10 m³/u kolenchemische afvalwater als voorbeeld wordt genomen, met een CODcr van 1000 mg/L (waarvan 30% naftaleen), kan een verblijftijd van 4 uur de CODcr terugbrengen tot 700 mg/L. Als de verwachting is dat de drie adsorptiefilters elke 7 dagen (168 uur) worden geregenereerd, dan is 14 ton GAC nodig in de drie adsorptietanks en 28 ton GAC in de zes adsorptietanks. De bulkdichtheid van GAC is 450~600 kg/m³, dus 28 ton GAC komt overeen met 46~62 m³, wat betekent dat de zes adsorptiefilters bijna vol zijn (een ontwerpinstituut ontwerpt vaak om adsorptiefilters met GAC te vullen in nul-afvalwaterprojecten). Om de retentietijd en de expansiesnelheid van de terugspoeling te garanderen, moet de schaal van de apparatuur verder worden verdubbeld.
Bovendien hebben talrijke onderzoeken aangetoond dat de adsorptiecapaciteit van GAC na 3 tot 4 thermische regeneraties daalt tot meer dan 80% van die van nieuwe koolstof, en dat de GAC na 5 tot 10 thermische regeneraties feitelijk onbruikbaar is. In het bovenstaande voorbeeld wordt uitgegaan van regeneratie om de 7 dagen, wat betekent dat deze partij actieve kool een levensduur heeft van maximaal zes maanden, wat enorme kosten met zich meebrengt voor regeneratie en koolstofvervanging. Bovendien houdt regeneratie in wezen in dat het door de GAC geadsorbeerde organische materiaal weer in de atmosfeer wordt vrijgegeven; in werkelijkheid verwijdert de GAC het organische materiaal niet echt.