การบังคับใช้การดูดซับถ่านกัมมันต์ในการปลดปล่อยน้ำเสียเคมีถ่านหินเป็นศูนย์

ในโครงการปล่อยน้ำทิ้งที่เป็นสารเคมีจากถ่านหิน (CCW) เป็นศูนย์ การย่อยสลายอินทรียวัตถุมักจะใช้กระบวนการที่คล้ายคลึงกับน้ำเสียชุมชน ซึ่งเกี่ยวข้องกับ "การบำบัดล่วงหน้า + การบำบัดทางชีวเคมี + การบำบัดขั้นสูง" ก่อนที่จะเข้าสู่ระบบการตกผลึกที่มีความเข้มข้นและการระเหยของเมมเบรน การกำจัด CODcr หลังจากความเข้มข้นถือเป็นความท้าทายมายาวนานในด้านการปล่อยน้ำเสียที่เป็นสารเคมีจากถ่านหินให้เป็นศูนย์ เทคโนโลยีที่เป็นไปได้บางอย่างถูกมองข้าม ในขณะที่เทคโนโลยีที่เป็นไปไม่ได้ได้กลายเป็นประเด็นสำคัญ บทความนี้สำรวจการประยุกต์ใช้การดูดซับถ่านกัมมันต์ในการปล่อยน้ำเสียเคมีถ่านหินเป็นศูนย์ เพื่อใช้อ้างอิงโดยผู้เชี่ยวชาญด้านการบำบัดน้ำ

น้ำเสียที่เป็นสารเคมีจากถ่านหินเป็นการบำบัดน้ำเสียทางอุตสาหกรรมที่-}ยาก-โดยทั่วไปซึ่งเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการแปรรูปถ่านหินต่างๆ อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนมีส่วนสำคัญใน CODcr ในน้ำเสียเคมีถ่านหิน ซึ่งคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 50% สารประกอบเบนซีน (BTEX, เบนซีน, โทลูอีน, เอทิลเบนซีน, พี-ไซลีน), ฟีนอล และโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (PAH) เป็นตัวอย่างทั่วไป จางและคณะ ศึกษาการเปลี่ยนแปลงของอินทรียวัตถุในน้ำเสียเคมีถ่านหินในระหว่างกระบวนการบำบัด ซึ่งพิสูจน์ว่าหลังจากกระบวนการ "ปรับสภาพ + บำบัดทางชีวเคมี + บำบัดขั้นสูง" สัดส่วนของโมเลกุลขนาดใหญ่ของอินทรียวัตถุในน้ำเพิ่มขึ้น (ตรงกันข้ามกับคำกล่าวอ้างของสถาบันออกแบบหรือหน่วย EPC บางแห่งว่าอินทรียวัตถุที่เหลืออยู่นั้นยาก-ที่จะ-กำจัดอินทรียวัตถุโมเลกุลเล็ก) และองค์ประกอบก็ถูกครอบงำโดย PAH (อ้างอิง: Zhang L, Liu H, Wang Y และคณะ ลักษณะองค์ประกอบของอินทรียวัตถุที่ละลายในระหว่างการบำบัดน้ำเสียจากถ่านหินเหลวและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม [J] ศาสตร์แห่งสิ่งแวดล้อมโดยรวม, 2020, 704: 135409)

แน่นอนว่าอินทรียวัตถุที่เหลืออยู่ ซึ่งส่วนใหญ่เป็น PAH นั้นได้กลายเป็นปัญหาคอขวดในโครงการ-ปล่อยน้ำเสียที่เป็นสารเคมีจากถ่านหินเป็นศูนย์ หลังจากที่อินทรียวัตถุเหล่านี้เข้าสู่ส่วนความเข้มข้นของเมมเบรน ความเข้มข้นของพวกมันจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า สถาบันออกแบบหรือหน่วย EPC บางแห่งส่งเสริมเทคโนโลยีการดูดซับถ่านกัมมันต์อย่างยิ่งในระหว่างขั้นตอนความเข้มข้นของเมมเบรน โดยไม่มีการวิเคราะห์ที่สำคัญหรืออิงตามข้อกล่าวอ้างที่ไม่มีมูล ในที่สุดพวกเขาก็สรุปได้ว่าการดูดซับถ่านกัมมันต์ของ CODcr นั้นเป็นไปได้ก่อนที่เมมเบรนจะมีความเข้มข้นหรือการตกผลึกของการระเหย อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีการดูดซับถ่านกัมมันต์เหมาะสมอย่างแท้จริงสำหรับการกำจัดอินทรียวัตถุเพิ่มเติม โดยเฉพาะ PAH หรือไม่

ถ่านกัมมันต์แบบเม็ด (GAC) มีขนาดรูพรุนเฉลี่ยระหว่าง 3.2 ถึง 3.4 นาโนเมตร โดยมีไมโครรูขุมขนคิดเป็น 25%–27% และเมโซปอร์คิดเป็น 73%–75% PAH มีโครงสร้างโมเลกุลมากกว่า 100 โครงสร้าง โดยมีแนฟทาลีน อะซีแนฟธีน ฟลูออรีน และฟีแนนทรีน เป็นสารประกอบหลักในน้ำเสียเคมีถ่านหิน การศึกษาโดย Dinushika และคณะ พบว่าแนพทาลีนและอะซีแนฟทีนมีปริมาตรโมลาร์และขนาดโมเลกุลค่อนข้างน้อย ส่งผลให้อัตราการดูดซับของแนฟทาลีนและฟีแนนทรีนค่อนข้างสูงโดย GAC ในขณะที่ฟลูออรีนและฟีแนนทรีนมีปริมาตรโมลและขนาดโมเลกุลค่อนข้างมาก ส่งผลให้อัตราการดูดซับค่อนข้างต่ำโดย GAC GAC จะเข้าสู่สมดุลการดูดซับของแนพทาลีนและอะซีนาฟทีนใน 4–8 ชั่วโมง โดยมีความสามารถในการดูดซับประมาณ 14 มก./กรัม GAC บรรลุสมดุลการดูดซับฟลูออรีนและฟีแนนทรีนใน 16–24 ชั่วโมง โดยมีความสามารถในการดูดซับประมาณ 12 มก./กรัม เทียบเท่ากับ CODcr/g GAC 36 มก. (อ้างอิง: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. การขจัดโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนออกจากน้ำโดยใช้ถ่านกัมมันต์แบบละเอียด: การศึกษาการดูดซับจลน์และสมดุล[J] การวิจัยวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมและมลพิษ, 2018, 25(14): 13511-13524)

ในการใช้งานจริง หากตั้งเวลาคงอยู่สำหรับการดูดซับถ่านกัมมันต์ไว้ที่ 16–24 ชั่วโมง จะต้องใช้ตัวกรองการดูดซับหลายตัว ซึ่งเห็นได้ชัดว่าทำไม่ได้ในทางปฏิบัติ ระยะเวลาคงอยู่ประมาณ 4 ชั่วโมงถือว่าสมเหตุสมผล แต่ในเวลานี้ GAC จะดูดซับแนฟทาลีนเป็นหลัก และไม่มีผลการดูดซับที่มีนัยสำคัญต่อ PAH อื่นๆ เช่น อะซีแนฟธีน ฟลูออรีน และฟีแนนทรีน

จากมุมมองของขนาดอุปกรณ์ของเบดกรองการดูดซับ เวลาพัก 4 ชั่วโมงก็ถือว่าไม่สั้นนัก สมมติว่าปริมาตรน้ำที่เหลืออยู่ของน้ำเสียที่เป็นสารเคมีถ่านหินหลัง "การบำบัดเบื้องต้น + การบำบัดทางชีวภาพ + การบำบัดขั้นสูง + ความเข้มข้นของเมมเบรน" คือ 10 ลบ.ม./ชม. และระยะเวลาคงอยู่ของเบดตัวกรองการดูดซับถูกตั้งค่าไว้ที่ 4 ชั่วโมง ดังนั้น ต้องใช้เบดตัวกรองการดูดซับ 6 เบดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.8 ม. และความสูง 5 ม. (3 เบดสำหรับการใช้งานและ 3 เบดสำหรับการฟื้นฟู) ในทำนองเดียวกัน หากปริมาตรน้ำที่จะบำบัดคือ 100 ลบ.ม./ชม. ก็จำเป็นต้องใช้เตียงกรองการดูดซับจำนวน 60 เบด ซึ่งทำให้อุปกรณ์มีขนาดค่อนข้างใหญ่

ในแง่ของการใช้งาน GAC ยกตัวอย่างน้ำเสียเคมีถ่านหิน 10 ลบ.ม./ชม. ข้างต้น โดยมี CODcr อยู่ที่ 1000 มก./ลิตร (30% ของนั้นเป็นแนฟทาลีน) เวลากักเก็บ 4 ชั่วโมงสามารถลด CODcr ลงเหลือ 700 มก./ลิตร หากความคาดหวังคือการสร้างตัวกรองการดูดซับทั้งสามตัวใหม่ทุกๆ 7 วัน (168 ชั่วโมง) ดังนั้น จำเป็นต้องใช้ GAC 14 ตันในถังดูดซับสามถัง และจำเป็นต้องใช้ GAC 28 ตันในถังดูดซับหกถัง ความหนาแน่นรวมของ GAC อยู่ที่ 450~600 กก./ลบ.ม. ดังนั้น GAC 28 ตันจึงเท่ากับ 46~62 ลบ.ม. ซึ่งหมายความว่าตัวกรองการดูดซับทั้ง 6 ตัวใกล้จะเต็มแล้ว (สถาบันออกแบบมักจะออกแบบให้เติมตัวกรองการดูดซับด้วย GAC ในโครงการ-ปล่อยน้ำเสียเป็นศูนย์) เพื่อให้แน่ใจว่ามีเวลากักเก็บและอัตราการขยายตัวย้อนกลับ มาตราส่วนอุปกรณ์จะต้องเพิ่มเป็นสองเท่า

นอกจากนี้ การศึกษาจำนวนมากได้แสดงให้เห็นว่าหลังจากการฟื้นฟูความร้อนของ GAC 3~4 ครั้ง ความสามารถในการดูดซับของมันจะลดลงเหลือมากกว่า 80% ของคาร์บอนใหม่ และหลังจากการฟื้นฟูความร้อน 5~10 ครั้ง GAC ก็ไม่สามารถใช้งานได้โดยพื้นฐานแล้ว ตัวอย่างข้างต้นถือว่าการฟื้นฟูทุกๆ 7 วัน ซึ่งหมายความว่าถ่านกัมมันต์ชุดนี้มีอายุการใช้งานไม่เกินหกเดือน ส่งผลให้มีค่าใช้จ่ายจำนวนมากสำหรับการฟื้นฟูและการเปลี่ยนคาร์บอน นอกจากนี้ การฟื้นฟูโดยพื้นฐานแล้วเกี่ยวข้องกับการปล่อยอินทรียวัตถุที่ถูกดูดซับโดย GAC กลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศ ในความเป็นจริง GAC ไม่ได้กำจัดอินทรียวัตถุออกไปจริงๆ