En los proyectos de vertido cero de aguas residuales químicas del carbón (CCW), la degradación de la materia orgánica a menudo emplea un proceso similar al de las aguas residuales municipales, que implica "pretratamiento + tratamiento bioquímico + tratamiento avanzado", antes de ingresar a un sistema de concentración de membrana y cristalización por evaporación. La eliminación de CODcr después de la concentración ha sido durante mucho tiempo un desafío en el campo del vertido cero de aguas residuales químicas del carbón. Algunas tecnologías viables han sido pasadas por alto, mientras que las tecnologías inviables han pasado a ocupar un lugar central. Este artículo explora la aplicabilidad de la adsorción de carbón activado en la descarga cero de aguas residuales químicas de carbón como referencia para los profesionales del tratamiento de agua.
I. Principales contaminantes orgánicos en las aguas residuales químicas del carbón
Las aguas residuales químicas del carbón son aguas residuales industriales típicas de difícil-tratamiento-generadas durante diversos procesos de procesamiento del carbón. Los hidrocarburos aromáticos son los principales contribuyentes a la DQOcr en las aguas residuales químicas del carbón y representan más del 50%. Los compuestos de benceno (BTEX, benceno, tolueno, etilbenceno, p-xileno), fenoles e hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) son ejemplos típicos. Zhang et al. estudió los cambios en la materia orgánica en las aguas residuales químicas del carbón durante el proceso de tratamiento, demostrando que después del proceso de "pretratamiento + tratamiento bioquímico + tratamiento avanzado", la proporción de moléculas grandes de materia orgánica en el agua aumentó (contrariamente a las afirmaciones de algunos institutos de diseño o unidades EPC de que la materia orgánica restante es difícil-de-eliminar la materia orgánica de moléculas pequeñas), y la composición pasó a estar dominada por los HAP. (Referencia: Zhang L, Liu H, Wang Y, et al. Características de composición de la materia orgánica disuelta durante el tratamiento de aguas residuales por licuación de carbón y sus implicaciones ambientales [J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)
II. Investigación sobre el rendimiento de adsorción del carbón activado para aguas residuales químicas de carbón
Es precisamente la materia orgánica restante, principalmente HAP, la que se ha convertido en el problema del cuello de botella en el proyecto de vertido cero-de aguas residuales químicas del carbón. Después de que estas materias orgánicas ingresan a la sección de concentración de la membrana, su concentración se duplica. Algunos institutos de diseño o unidades EPC promueven fuertemente la tecnología de adsorción con carbón activado durante la etapa de concentración de la membrana, sin ningún análisis crítico o basándose en afirmaciones infundadas. En última instancia, concluyen que la adsorción de CODcr con carbón activado es factible antes de la concentración de la membrana o la cristalización por evaporación. Sin embargo, ¿es la tecnología de adsorción con carbón activado realmente adecuada para una mayor eliminación de materia orgánica, principalmente HAP?
El carbón activado granular (GAC) tiene un tamaño de poro promedio de entre 3,2 y 3,4 nm, donde los microporos representan del 25 % al 27 % y los mesoporos del 73 % al 75 %. Los HAP tienen más de 100 estructuras moleculares, siendo la naftaleno, el acenafteno, el fluoreno y el fenantreno los principales compuestos de las aguas residuales químicas del carbón. Los estudios de Dinushika et al. han descubierto que el naftaleno y el acenafteno tienen volúmenes molares y tamaños moleculares relativamente pequeños, lo que da como resultado tasas de adsorción relativamente altas por parte del GAC, mientras que el fluoreno y el fenantreno tienen volúmenes molares y tamaños moleculares relativamente grandes, lo que lleva a tasas de adsorción relativamente bajas por parte del GAC. El GAC alcanza el equilibrio de adsorción de naftaleno y acenafteno en 4 a 8 h, con una capacidad de adsorción de aproximadamente 14 mg/g. El GAC alcanza el equilibrio de adsorción de fluoreno y fenantreno en 16 a 24 h, con una capacidad de adsorción de aproximadamente 12 mg/g, equivalente a 36 mg de DQOcr/g de GAC. (Referencia: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Eliminación de hidrocarburos aromáticos policíclicos del agua utilizando carbón activado granular: estudios de adsorción cinética y de equilibrio[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(14): 13511-13524.)
III. Discusión sobre la aplicación práctica de la adsorción de carbón activado
En aplicaciones prácticas, si el tiempo de residencia para la adsorción con carbón activado se establece entre 16 y 24 h, se requerirían múltiples filtros de adsorción, lo que obviamente no es práctico. Un tiempo de residencia de aproximadamente 4 horas es razonable, pero en este momento, el GAC adsorbe principalmente naftaleno y no tiene ningún efecto de adsorción significativo sobre otros HAP como el acenafteno, el fluoreno y el fenantreno.
Desde el punto de vista de la escala del equipamiento del lecho filtrante de adsorción, un tiempo de residencia de 4 horas no es corto. Suponiendo que el volumen de agua restante de las aguas residuales químicas de carbón después del "pretratamiento + tratamiento biológico + tratamiento avanzado + concentración de membrana" es de 10 m³/h, y el tiempo de residencia del lecho filtrante de adsorción se establece en 4 horas, entonces se necesitan 6 lechos filtrantes de adsorción con un diámetro de 1,8 my una altura de 5 m (3 para uso y 3 para regeneración). De manera similar, si el volumen de agua a tratar es de 100 m³/h, entonces se necesitarían 60 lechos filtrantes de adsorción, lo que hace que la escala del equipo sea bastante grande.
En términos de uso de GAC, tomando como ejemplo las aguas residuales químicas de carbón de 10 m³/h antes mencionadas, con una DQOcr de 1000 mg/L (30 % de la cual es naftaleno), un tiempo de retención de 4 h puede reducir la DQOcr a 700 mg/L. Si la expectativa es regenerar los tres filtros de adsorción cada 7 días (168 h), entonces se necesitan 14 t de GAC en los tres tanques de adsorción y 28 t de GAC en los seis tanques de adsorción. La densidad aparente del GAC es de 450~600 kg/m³, por lo que 28 t de GAC equivalen a 46~62 m³, lo que significa que los seis filtros de adsorción están casi llenos (un instituto de diseño a menudo diseña para llenar los filtros de adsorción con GAC en proyectos de aguas residuales con cero-descarga). Para garantizar el tiempo de retención y la tasa de expansión del retrolavado, es necesario duplicar aún más la escala del equipo.
Además, numerosos estudios han demostrado que después de 3 a 4 regeneraciones térmicas del GAC, su capacidad de adsorción cae a más del 80% de la del carbono nuevo, y después de 5 a 10 regeneraciones térmicas, el GAC es esencialmente inutilizable. El ejemplo anterior supone una regeneración cada 7 días, lo que significa que este lote de carbón activado tiene una vida útil de no más de seis meses, lo que genera enormes costos de regeneración y reemplazo de carbón. Además, la regeneración implica esencialmente liberar a la atmósfera la materia orgánica adsorbida por el GAC; en realidad, el GAC no elimina realmente la materia orgánica.