Trong các dự án không xả thải đối với nước thải hóa chất than (CCW), quá trình phân hủy chất hữu cơ thường sử dụng một quy trình tương tự như nước thải đô thị, bao gồm "tiền xử lý + xử lý sinh hóa + xử lý nâng cao" trước khi đi vào hệ thống kết tinh cô đặc và bay hơi qua màng. Việc loại bỏ CODcr sau khi cô đặc từ lâu đã là một thách thức trong lĩnh vực không xả nước thải hóa chất than. Một số công nghệ khả thi đã bị bỏ qua, trong khi các công nghệ không khả thi lại chiếm vị trí trung tâm. Bài viết này tìm hiểu khả năng ứng dụng hấp phụ than hoạt tính trong việc không xả nước thải hóa học than để các chuyên gia xử lý nước tham khảo.
I. Các chất ô nhiễm hữu cơ chính trong nước thải hóa chất than
Nước thải hóa chất than là một loại nước thải công nghiệp khó-- điển hình được tạo ra trong các quá trình xử lý than khác nhau. Hydrocacbon thơm là tác nhân chính tạo ra CODcr trong nước thải hóa chất than, chiếm trên 50%. Các hợp chất benzen (BTEX, benzen, toluene, ethylbenzen, p-xylene), phenol và hydrocacbon thơm đa vòng (PAH) là những ví dụ điển hình. Zhang và cộng sự. đã nghiên cứu những thay đổi về chất hữu cơ trong nước thải hóa chất than trong quá trình xử lý, chứng minh rằng sau quy trình "tiền xử lý + xử lý sinh hóa + xử lý nâng cao", tỷ lệ các phân tử lớn của chất hữu cơ trong nước đã tăng lên (trái với tuyên bố của một số viện thiết kế hoặc đơn vị EPC rằng chất hữu cơ còn lại khó{10}}loại bỏ{11}}chất hữu cơ phân tử nhỏ) và thành phần bị PAH chiếm ưu thế. (Tham khảo: Zhang L, Liu H, Wang Y, và các cộng sự. Đặc điểm thành phần của chất hữu cơ hòa tan trong quá trình xử lý nước thải hóa lỏng than và ý nghĩa môi trường của nó[J]. Khoa học về Môi trường Tổng thể, 2020, 704: 135409.)
II. Nghiên cứu hiệu suất hấp phụ của than hoạt tính đối với nước thải hóa chất than
Chính xác là chất hữu cơ còn lại, chủ yếu là PAH, đã trở thành vấn đề tắc nghẽn trong dự án-không thải nước thải hóa chất than. Sau khi các chất hữu cơ này đi vào phần nồng độ của màng, nồng độ của chúng sẽ tăng gấp đôi. Một số viện thiết kế hoặc đơn vị EPC quảng bá mạnh mẽ công nghệ hấp phụ than hoạt tính trong giai đoạn cô đặc màng mà không có bất kỳ phân tích phê phán nào hoặc dựa trên những tuyên bố vô căn cứ. Cuối cùng, họ kết luận rằng sự hấp phụ than hoạt tính của CODcr là khả thi trước khi cô đặc màng hoặc kết tinh bay hơi. Tuy nhiên, liệu công nghệ hấp phụ than hoạt tính có thực sự phù hợp để loại bỏ thêm các chất hữu cơ, chủ yếu là PAH?
Than hoạt tính dạng hạt (GAC) có kích thước lỗ trung bình từ 3,2 đến 3,4 nm, với micropores chiếm 25%–27% và mesopores chiếm 73%–75%. PAH có hơn 100 cấu trúc phân tử, trong đó naphtalene, acenaphthene, fluorene và phenanthrene là những hợp chất chính trong nước thải hóa chất than. Nghiên cứu của Dinushika et al. đã phát hiện ra rằng naphthalene và acenaphthene có thể tích mol và kích thước phân tử tương đối nhỏ, dẫn đến tốc độ hấp phụ tương đối cao của GAC, trong khi fluorene và phenanthrene có thể tích mol và kích thước phân tử tương đối lớn, dẫn đến tốc độ hấp phụ tương đối thấp của GAC. GAC đạt đến trạng thái cân bằng hấp phụ đối với naphthalene và acenaphthene trong 4–8 giờ, với khả năng hấp phụ khoảng 14 mg/g. GAC đạt cân bằng hấp phụ fluorene và phenanthrene trong 16–24 giờ, với khả năng hấp phụ khoảng 12 mg/g, tương đương 36 mg CODcr/g GAC. (Tham khảo: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, và cộng sự. Loại bỏ hydrocarbon thơm đa vòng khỏi nước bằng than hoạt tính dạng hạt: nghiên cứu hấp phụ động học và cân bằng [J]. Nghiên cứu Khoa học Môi trường và Ô nhiễm, 2018, 25(14): 13511-13524.)
III. Thảo luận về ứng dụng thực tế của hấp phụ than hoạt tính
Trong các ứng dụng thực tế, nếu thời gian lưu giữ để hấp phụ than hoạt tính được đặt thành 16–24 giờ thì cần có nhiều bộ lọc hấp phụ, điều này rõ ràng là không thực tế. Thời gian lưu khoảng 4 giờ là hợp lý, nhưng tại thời điểm này, GAC chủ yếu hấp phụ naphthalene và không có tác dụng hấp phụ đáng kể đối với các PAH khác như acenaphthene, fluorene và phenanthrene.
Từ góc độ quy mô thiết bị của giường lọc hấp phụ, thời gian lưu trú 4 giờ không phải là ngắn. Giả sử lượng nước còn lại của nước thải hóa chất than sau khi “xử lý sơ bộ + xử lý sinh học + xử lý nâng cao + cô đặc màng” là 10 m³/h và thời gian lưu của lớp lọc hấp phụ được đặt là 4 giờ, khi đó cần có 6 lớp lọc hấp phụ có đường kính 1,8 m và cao 5 m (3 lớp để sử dụng và 3 lớp để tái sinh). Tương tự, nếu lượng nước cần xử lý là 100 m³/h thì cần 60 giường lọc hấp phụ như vậy, khiến quy mô thiết bị khá lớn.
Về việc sử dụng GAC, lấy nước thải hóa chất than 10 m³/h nói trên làm ví dụ, với CODcr là 1000 mg/L (30% trong số đó là naphthalene), thời gian lưu 4 giờ có thể giảm CODcr xuống 700 mg/L. Nếu kỳ vọng là tái tạo ba bộ lọc hấp phụ cứ sau 7 ngày (168 giờ), thì cần 14 tấn GAC trong ba bể hấp phụ và 28 tấn GAC trong sáu bể hấp phụ. Mật độ khối của GAC là 450~600 kg/m³, do đó 28 tấn GAC tương đương với 46~62 m³, nghĩa là sáu bộ lọc hấp phụ đã gần đầy (một viện thiết kế thường thiết kế để lấp đầy các bộ lọc hấp phụ bằng GAC trong các dự án nước thải không{16}}xả thải). Để đảm bảo thời gian lưu và tốc độ mở rộng rửa ngược, quy mô thiết bị cần được tăng gấp đôi.
Hơn nữa, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sau 3 ~ 4 lần tái tạo nhiệt của GAC, khả năng hấp phụ của nó giảm xuống hơn 80% so với carbon mới và sau 5 ~ 10 lần tái tạo nhiệt, GAC về cơ bản không thể sử dụng được. Ví dụ trên giả định cứ 7 ngày tái sinh một lần, nghĩa là mẻ than hoạt tính này có tuổi thọ không quá sáu tháng, dẫn đến chi phí tái sinh và thay thế carbon rất lớn. Hơn nữa, quá trình tái sinh về cơ bản liên quan đến việc giải phóng chất hữu cơ được GAC hấp phụ trở lại khí quyển; trên thực tế, GAC không thực sự loại bỏ chất hữu cơ.