Ogļu ķīmisko notekūdeņu (CCW) nulles izplūdes projektos organisko vielu noārdīšanā bieži tiek izmantots process, kas līdzīgs sadzīves notekūdeņu procesam, ietverot "priekšapstrādi + bioķīmisko attīrīšanu + uzlaboto attīrīšanu", pirms nonāk membrānas koncentrācijas un iztvaikošanas kristalizācijas sistēmā. CODcr noņemšana pēc koncentrācijas jau sen ir bijis izaicinājums ogļu ķīmisko notekūdeņu nulles novadīšanas jomā. Dažas iespējamas tehnoloģijas ir atstātas novārtā, savukārt nerealizējamas tehnoloģijas ir ieņēmušas centrālo vietu. Šajā rakstā ir apskatīta aktīvās ogles adsorbcijas pielietojamība ogļu ķīmisko notekūdeņu nulles izplūdē, lai sniegtu atsauci ūdens attīrīšanas profesionāļiem.
I. Galvenie organiskie piesārņotāji ogļu ķīmiskajos notekūdeņos
Ogļu ķīmiskie notekūdeņi ir tipiski grūti{0}}-attīrāmi rūpnieciskie notekūdeņi, kas rodas dažādu ogļu apstrādes procesu laikā. Aromātiskie ogļūdeņraži ir galvenais CODcr avots ogļu ķīmiskajos notekūdeņos, veidojot vairāk nekā 50%. Tipiski piemēri ir benzola savienojumi (BTEX, benzols, toluols, etilbenzols, p-ksilols), fenoli un policikliskie aromātiskie ogļūdeņraži (PAH). Džans et al. pētīja organisko vielu izmaiņas ogļu ķīmiskajos notekūdeņos attīrīšanas procesā, pierādot, ka pēc procesa "priekšapstrāde + bioķīmiskā attīrīšana + uzlabota attīrīšana" palielinājās lielo organisko vielu molekulu īpatsvars ūdenī (pretēji dažu projektēšanas institūtu vai EPC struktūrvienību apgalvojumiem, ka atlikušo organisko vielu ir grūti{10}}noņemt{11}}, organiskās vielas pārsvarā kļuva mazās un PAH sastāvs. (Atsauce: Zhang L, Liu H, Wang Y uc
II. Pētījumi par aktīvās ogles adsorbcijas veiktspēju ogļu ķīmiskajiem notekūdeņiem
Tieši atlikušās organiskās vielas, galvenokārt PAO, ir kļuvušas par sašaurinājuma problēmu ogļu ķīmisko notekūdeņu nulles -izplūdes projektā. Pēc tam, kad šīs organiskās vielas nonāk membrānas koncentrācijas sadaļā, to koncentrācija dubultojas. Daži projektēšanas institūti vai EPC vienības ļoti veicina aktīvās ogles adsorbcijas tehnoloģiju membrānas koncentrācijas posmā, bez kritiskas analīzes vai pamatojoties uz nepamatotiem apgalvojumiem. Viņi galu galā secina, ka CODcr aktīvās ogles adsorbcija ir iespējama pirms membrānas koncentrācijas vai iztvaikošanas kristalizācijas. Tomēr vai aktīvās ogles adsorbcijas tehnoloģija patiešām ir piemērota turpmākai organisko vielu, galvenokārt PAO, atdalīšanai?
Granulētās aktivētās ogles (GAC) vidējais poru izmērs ir no 3,2 līdz 3,4 nm, un mikroporas veido 25–27% un mezoporas veido 73–75%. PAO ir vairāk nekā 100 molekulāro struktūru, un naftalīns, acenaftēns, fluorēns un fenantrēns ir galvenie savienojumi ogļu ķīmiskajos notekūdeņos. Dinušika et al. pētījumi. ir atklājuši, ka naftalānam un acenaftēnam ir salīdzinoši mazs molārais tilpums un molekulu izmēri, kā rezultātā GAC tiem ir salīdzinoši augsts adsorbcijas ātrums, savukārt fluorēnam un fenantrēnam ir salīdzinoši lieli molārie tilpumi un molekulu izmēri, kā rezultātā GAC adsorbcijas ātrums ir salīdzinoši zems. GAC sasniedz naftalīna un acenaftēna adsorbcijas līdzsvaru 4–8 stundās ar adsorbcijas spēju aptuveni 14 mg/g. GAC sasniedz fluorēna un fenantrēna adsorbcijas līdzsvaru 16–24 stundās ar adsorbcijas spēju aptuveni 12 mg/g, kas atbilst 36 mg CODcr/g GAC. (Atsauce: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Policiklisko aromātisko ogļūdeņražu noņemšana no ūdens, izmantojot granulētu aktivēto ogli: kinētiskās un līdzsvara adsorbcijas pētījumi[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(14): 13524.)13524.
III. Diskusija par aktīvās oglekļa adsorbcijas praktisko pielietojumu
Praktiskā pielietojumā, ja aktīvās ogles adsorbcijas uzturēšanās laiks ir iestatīts uz 16–24 stundām, būtu nepieciešami vairāki adsorbcijas filtri, kas acīmredzami ir nepraktiski. Uzturēšanās laiks ir aptuveni 4 stundas, taču šobrīd GAC galvenokārt adsorbē naftalīnu un tam nav būtiskas adsorbcijas ietekmes uz citiem PAO, piemēram, acenaftēnu, fluorēnu un fenantrēnu.
No adsorbcijas filtra gultas aprīkojuma skalas viedokļa uzturēšanās laiks 4 stundas nav īss. Pieņemot, ka ogļu ķīmisko notekūdeņu atlikušais ūdens tilpums pēc "priekšapstrāde + bioloģiskā attīrīšana + uzlabota attīrīšana + membrānas koncentrācija" ir 10 m³/h un adsorbcijas filtra slāņa uzturēšanās laiks ir iestatīts uz 4 stundām, tad nepieciešamas 6 adsorbcijas filtra gultas ar diametru 1,8 m un augstumu 5 m (3 izmantošanai un 3). Tāpat, ja apstrādājamā ūdens tilpums ir 100 m³/h, tad būtu nepieciešamas 60 šādas adsorbcijas filtru gultas, kas padara iekārtu mērogu diezgan lielu.
Runājot par GAC izmantošanu, ņemot par piemēru iepriekšminētos ogļu ķīmiskos notekūdeņus ar ātrumu 10 m³/h ar CODcr 1000 mg/L (no kura 30% ir naftalīns), 4 stundu aiztures laiks var samazināt CODcr līdz 700 mg/L. Ja ir paredzēts atjaunot trīs adsorbcijas filtrus ik pēc 7 dienām (168 h), tad trīs adsorbcijas tvertnēs ir nepieciešamas 14 t GAC un sešās adsorbcijas tvertnēs ir vajadzīgas 28 t GAC. GAC tilpuma blīvums ir 450–600 kg/m³, tātad 28 t GAC atbilst 46–62 m³, kas nozīmē, ka seši adsorbcijas filtri ir gandrīz pilni (projektēšanas institūts bieži vien plāno aizpildīt adsorbcijas filtrus ar GAC nulles{16}}notekūdeņu projektos). Lai nodrošinātu aiztures laiku un pretskalošanas izplešanās ātrumu, aprīkojuma skala ir vēl vairāk jāpalielina.
Turklāt daudzi pētījumi ir parādījuši, ka pēc 3–4 GAC termiskās reģenerācijas tā adsorbcijas spēja samazinās līdz vairāk nekā 80% no jaunā oglekļa adsorbcijas spējas, un pēc 5–10 termiskām reģenerācijām GAC būtībā ir nelietojams. Iepriekš minētajā piemērā tiek pieņemts, ka reģenerācija notiek ik pēc 7 dienām, kas nozīmē, ka šīs aktīvās ogles partijas kalpošanas laiks nepārsniedz sešus mēnešus, kā rezultātā rodas milzīgas reģenerācijas un oglekļa nomaiņas izmaksas. Turklāt reģenerācija būtībā ietver GAC adsorbētās organiskās vielas izlaišanu atpakaļ atmosfērā; patiesībā GAC patiešām nenoņem organisko vielu.