Σε έργα μηδενικής απόρριψης χημικών λυμάτων άνθρακα (CCW), η αποικοδόμηση της οργανικής ύλης συχνά χρησιμοποιεί μια διαδικασία παρόμοια με αυτή των αστικών λυμάτων, που περιλαμβάνει "προεπεξεργασία + βιοχημική επεξεργασία + προηγμένη επεξεργασία", πριν εισέλθει σε σύστημα κρυστάλλωσης συγκέντρωσης μεμβράνης και εξάτμισης. Η απομάκρυνση του CODcr μετά τη συμπύκνωση ήταν από καιρό μια πρόκληση στον τομέα της μηδενικής απόρριψης χημικών λυμάτων άνθρακα. Ορισμένες εφικτές τεχνολογίες έχουν παραβλεφθεί, ενώ οι μη εφικτές τεχνολογίες έχουν πάρει το επίκεντρο. Αυτό το άρθρο διερευνά τη δυνατότητα εφαρμογής της προσρόφησης ενεργού άνθρακα σε μηδενική απόρριψη χημικών λυμάτων άνθρακα για αναφορά από επαγγελματίες επεξεργασίας νερού.
I. Κύριοι οργανικοί ρύποι σε χημικά απόβλητα άνθρακα
Τα χημικά λύματα άνθρακα είναι ένα τυπικό δύσκολο--επεξεργασία βιομηχανικών λυμάτων που παράγονται κατά τη διάρκεια διαφόρων διεργασιών επεξεργασίας άνθρακα. Οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες είναι ο κύριος παράγοντας CODcr στα χημικά λύματα άνθρακα, αντιπροσωπεύοντας πάνω από το 50%. Ενώσεις βενζολίου (BTEX, βενζόλιο, τολουόλιο, αιθυλοβενζόλιο, ρ-ξυλόλιο), φαινόλες και πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες (PAHs) είναι τυπικά παραδείγματα. Οι Zhang et al. μελέτησε τις αλλαγές στην οργανική ύλη στα χημικά λύματα άνθρακα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας επεξεργασίας, αποδεικνύοντας ότι μετά τη διαδικασία "προεπεξεργασία + βιοχημική επεξεργασία + προηγμένη επεξεργασία", η αναλογία μεγάλων μορίων οργανικής ύλης στο νερό αυξήθηκε (σε αντίθεση με τους ισχυρισμούς ορισμένων ινστιτούτων σχεδιασμού ή μονάδων EPC ότι η εναπομείνασα οργανική ύλη είναι δύσκολη{11}να γίνει η οργανική ύλη κυριαρχείται από ΠΑΥ. (Αναφορά: Zhang L, Liu H, Wang Y, et al. Συνθετικά χαρακτηριστικά διαλυμένης οργανικής ύλης κατά την επεξεργασία λυμάτων υγροποίησης άνθρακα και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της[J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)
II. Έρευνα για την απόδοση προσρόφησης ενεργού άνθρακα για χημικά λύματα άνθρακα
Είναι ακριβώς η εναπομείνασα οργανική ύλη, κυρίως PAH, που έχει γίνει το πρόβλημα συμφόρησης στο έργο μηδενικής-απόρριψης χημικών λυμάτων άνθρακα. Αφού αυτές οι οργανικές ουσίες εισέλθουν στο τμήμα συγκέντρωσης της μεμβράνης, η συγκέντρωσή τους διπλασιάζεται. Ορισμένα ινστιτούτα σχεδιασμού ή μονάδες EPC προωθούν έντονα την τεχνολογία προσρόφησης ενεργού άνθρακα κατά το στάδιο της συγκέντρωσης της μεμβράνης, χωρίς καμία κριτική ανάλυση ή βάσει αβάσιμων ισχυρισμών. Τελικά καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η προσρόφηση ενεργού άνθρακα του CODcr είναι εφικτή πριν από τη συγκέντρωση μεμβράνης ή την κρυστάλλωση με εξάτμιση. Ωστόσο, η τεχνολογία προσρόφησης ενεργού άνθρακα είναι πραγματικά κατάλληλη για περαιτέρω απομάκρυνση οργανικής ύλης, κυρίως PAH;
Ο κοκκώδης ενεργός άνθρακας (GAC) έχει μέσο μέγεθος πόρων μεταξύ 3,2 και 3,4 nm, με τους μικροπόρους να αντιπροσωπεύουν το 25%-27% και τους μεσοπόρους να αντιστοιχούν στο 73%-75%. Οι PAH έχουν πάνω από 100 μοριακές δομές, με το ναφθαλίνιο, το ακεναφθένιο, το φθορένιο και το φαινανθρένιο να είναι οι κύριες ενώσεις στα χημικά απόβλητα του άνθρακα. Μελέτες των Dinusika et al. έχουν βρει ότι η ναφθαλίνη και η ακεναφθένιο έχουν σχετικά μικρούς μοριακούς όγκους και μοριακά μεγέθη, με αποτέλεσμα σχετικά υψηλούς ρυθμούς προσρόφησης από το GAC, ενώ το φθορένιο και το φαινανθρένιο έχουν σχετικά μεγάλους μοριακούς όγκους και μοριακά μεγέθη, οδηγώντας σε σχετικά χαμηλούς ρυθμούς προσρόφησης από το GAC. Το GAC φτάνει σε ισορροπία προσρόφησης για ναφθαλίνη και ακεναφθένιο σε 4–8 ώρες, με ικανότητα προσρόφησης περίπου 14 mg/g. Το GAC φθάνει σε ισορροπία προσρόφησης για το φθορένιο και το φαινανθρένιο σε 16–24 ώρες, με ικανότητα προσρόφησης περίπου 12 mg/g, που ισοδυναμεί με 36 mg CODcr/g GAC. (Αναφορά: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Αφαίρεση πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων από νερό με χρήση κοκκώδους ενεργού άνθρακα: μελέτες κινητικής και ισορροπίας προσρόφησης [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(14.3):1.
III. Συζήτηση για την Πρακτική Εφαρμογή της Προσρόφησης Ενεργού Άνθρακα
Σε πρακτικές εφαρμογές, εάν ο χρόνος παραμονής για την προσρόφηση ενεργού άνθρακα οριστεί σε 16-24 ώρες, θα απαιτούνται πολλαπλά φίλτρα προσρόφησης, κάτι που είναι προφανώς ανέφικτο. Ένας χρόνος παραμονής περίπου 4 ωρών είναι λογικός, αλλά αυτή τη στιγμή, το GAC προσροφεί κυρίως τη ναφθαλίνη και δεν έχει σημαντική επίδραση προσρόφησης σε άλλους PAH όπως το ακεναφθένιο, το φθορένιο και το φαινανθρένιο.
Από την άποψη της κλίμακας εξοπλισμού της κλίνης φίλτρου προσρόφησης, ο χρόνος παραμονής 4 ωρών δεν είναι σύντομος. Υποθέτοντας ότι ο υπόλοιπος όγκος νερού των χημικών λυμάτων άνθρακα μετά την "προεπεξεργασία + βιολογική επεξεργασία + προηγμένη επεξεργασία + συγκέντρωση μεμβράνης" είναι 10 m³/h και ο χρόνος παραμονής της κλίνης φίλτρου προσρόφησης ορίζεται σε 4 ώρες, τότε 6 κλίνες φίλτρου προσρόφησης με διάμετρο 1,8 m και ύψος 3 για χρήση αναγέννησης και 5 m απαιτούνται. Ομοίως, εάν ο όγκος του προς επεξεργασία νερού είναι 100 m³/h, τότε θα χρειαστούν 60 τέτοιες κλίνες φίλτρου προσρόφησης, καθιστώντας την κλίμακα του εξοπλισμού αρκετά μεγάλη.
Όσον αφορά τη χρήση GAC, λαμβάνοντας ως παράδειγμα τα προαναφερθέντα χημικά λύματα άνθρακα 10 m³/h, με CODcr 1000 mg/L (το 30% του οποίου είναι ναφθαλίνη), ένας χρόνος κατακράτησης 4 ωρών μπορεί να μειώσει το CODcr στα 700 mg/L. Εάν η προσδοκία είναι η αναγέννηση των τριών φίλτρων προσρόφησης κάθε 7 ημέρες (168 ώρες), τότε χρειάζονται 14 t GAC στις τρεις δεξαμενές προσρόφησης και 28 t GAC στις έξι δεξαμενές προσρόφησης. Η χύδην πυκνότητα του GAC είναι 450~600 kg/m³, επομένως 28 t GAC ισοδυναμούν με 46~62 m³, που σημαίνει ότι τα έξι φίλτρα προσρόφησης είναι σχεδόν γεμάτα (ένα ινστιτούτο σχεδιασμού συχνά σχεδιάζει να γεμίσει φίλτρα προσρόφησης με GAC σε μηδενικά απόβλητα αποβλήτων του έργου). Για να εξασφαλιστεί ο χρόνος συγκράτησης και ο ρυθμός επέκτασης της αντίστροφης πλύσης, η κλίμακα του εξοπλισμού πρέπει να διπλασιαστεί περαιτέρω.
Επιπλέον, πολυάριθμες μελέτες έχουν δείξει ότι μετά από 3~4 θερμικές αναγεννήσεις του GAC, η ικανότητα προσρόφησής του μειώνεται σε περισσότερο από το 80% αυτής του νέου άνθρακα και μετά από 5~10 θερμικές αναγεννήσεις, το GAC είναι ουσιαστικά άχρηστο. Το παραπάνω παράδειγμα προϋποθέτει αναγέννηση κάθε 7 ημέρες, πράγμα που σημαίνει ότι αυτή η παρτίδα ενεργού άνθρακα δεν έχει διάρκεια ζωής όχι μεγαλύτερη από έξι μήνες, με αποτέλεσμα τεράστιο κόστος για την αναγέννηση και την αντικατάσταση του άνθρακα. Επιπλέον, η αναγέννηση ουσιαστικά περιλαμβάνει την απελευθέρωση της οργανικής ύλης που προσροφάται από το GAC πίσω στην ατμόσφαιρα. Στην πραγματικότητα, το GAC δεν αφαιρεί πραγματικά την οργανική ύλη.