Kömür kimyasal atıksularına (CCW) yönelik sıfır deşarj projelerinde, organik maddenin bozunması, bir membran konsantrasyonuna ve buharlaşma kristalizasyon sistemine girmeden önce genellikle belediye atık sularına benzer bir süreç kullanır; "ön arıtma + biyokimyasal arıtma + ileri arıtma"yı içerir. Konsantrasyondan sonra CODcr'nin uzaklaştırılması, kömür kimyasal atık suyunun sıfır deşarjı alanında uzun süredir zorlu bir konu olmuştur. Uygulanabilir bazı teknolojiler göz ardı edilirken, gerçekleştirilemez teknolojiler merkezde yer aldı. Bu makale, su arıtma uzmanları tarafından referans olarak kullanılmak üzere kömür kimyasal atık suyunun sıfır deşarjında aktif karbon adsorpsiyonunun uygulanabilirliğini araştırmaktadır.
I. Kömür Kimyasal Atıksularındaki Başlıca Organik Kirleticiler
Kömür kimyasal atıksu, çeşitli kömür işleme süreçleri sırasında oluşan-en-endüstriyel atık suyun arıtılması tipik olarak zordur. Aromatik hidrokarbonlar, kömür kimyasal atık suyundaki CODcr'nin ana bileşenidir ve %50'den fazlasını oluşturur. Benzen bileşikleri (BTEX, benzen, toluen, etilbenzen, p-ksilen), fenoller ve polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH'lar) tipik örneklerdir. Zhang ve diğerleri. arıtma süreci sırasında kömür kimyasal atık suyundaki organik maddedeki değişiklikleri inceledi ve "ön arıtma + biyokimyasal arıtma + ileri arıtma" sürecinden sonra sudaki büyük organik madde moleküllerinin oranının arttığını (bazı tasarım enstitülerinin veya EPC birimlerinin kalan organik maddenin küçük moleküllü organik maddeyi uzaklaştırmasının zor olduğu yönündeki iddialarının aksine) ve bileşimde PAH'ların baskın hale geldiğini kanıtladı. (Referans: Zhang L, Liu H, Wang Y, ve diğerleri. Kömür sıvılaştırma atıksu arıtımı sırasında çözünmüş organik maddenin bileşim özellikleri ve çevresel etkileri[J. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)
II. Kömürlü Kimyasal Atık Suda Aktif Karbonun Adsorpsiyon Performansının Araştırılması
Kömür kimyasal atık suyunun sıfır-deşarjı projesinde darboğaz sorunu haline gelen şey kesinlikle geri kalan organik madde, özellikle de PAH'lardır. Bu organik maddeler membran konsantrasyon bölümüne girdikten sonra konsantrasyonları iki katına çıkar. Bazı tasarım enstitüleri veya EPC birimleri, membran konsantrasyonu aşamasında, herhangi bir kritik analiz olmaksızın veya asılsız iddialara dayanarak aktif karbon adsorpsiyon teknolojisini güçlü bir şekilde desteklemektedir. Sonuçta CODcr'nin aktif karbon adsorpsiyonunun, membran konsantrasyonundan veya buharlaşma kristalizasyonundan önce mümkün olduğu sonucuna vardılar. Ancak aktif karbon adsorpsiyon teknolojisi, başta PAH'lar olmak üzere organik maddelerin daha fazla uzaklaştırılması için gerçekten uygun mudur?
Granül aktif karbonun (GAC) ortalama gözenek boyutu 3,2 ila 3,4 nm arasındadır; mikro gözenekler %25-27'sini, mezo gözenekler ise %73-75'ini oluşturur. PAH'ların 100'den fazla moleküler yapısı vardır; naftalin, asenaften, floren ve fenantren, kömür kimyasal atık suyundaki ana bileşiklerdir. Dinushika ve ark. naftalin ve asenaftenin nispeten küçük molar hacimlere ve moleküler boyutlara sahip olduğunu, bunun da GAC tarafından nispeten yüksek adsorpsiyon oranlarına yol açtığını, floren ve fenantrenin ise nispeten büyük molar hacimlere ve moleküler boyutlara sahip olduğunu ve bunun da GAC tarafından nispeten düşük adsorpsiyon oranlarına yol açtığını bulmuşlardır. GAC, yaklaşık 14 mg/g adsorpsiyon kapasitesiyle naftalin ve asenaften için adsorpsiyon dengesine 4-8 saatte ulaşır. GAC, 36 mg CODcr/g GAC'ye eşdeğer olan yaklaşık 12 mg/g adsorpsiyon kapasitesiyle, floren ve fenantren için adsorpsiyon dengesine 16-24 saatte ulaşır. (Referans: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, ve diğerleri. Granül aktif karbon kullanarak polisiklik aromatik hidrokarbonların sudan uzaklaştırılması: kinetik ve denge adsorpsiyon çalışmaları[J. Çevre Bilimi ve Kirlilik Araştırması, 2018, 25(14): 13511-13524.)
III. Aktif Karbon Adsorpsiyonunun Pratik Uygulamasına İlişkin Tartışma
Pratik uygulamalarda, eğer aktif karbon adsorpsiyonu için kalma süresi 16-24 saate ayarlanırsa, birden fazla adsorpsiyon filtresi gerekli olacaktır ki bu da açıkçası pratik değildir. Yaklaşık 4 saatlik bir kalma süresi makuldür, ancak şu anda GAC esas olarak naftalini adsorbe eder ve asenaften, floren ve fenantren gibi diğer PAH'lar üzerinde önemli bir adsorpsiyon etkisi yoktur.
Adsorpsiyon filtre yatağının ekipman ölçeği açısından bakıldığında 4 saatlik kalma süresi kısa değildir. Kömür kimyasal atıksularının "ön arıtma + biyolojik arıtma + ileri arıtma + membran konsantrasyonu" sonrasında kalan su hacminin 10 m³/saat olduğu ve adsorpsiyon filtre yatağının kalma süresinin 4 saat olarak ayarlandığı varsayılırsa, 1,8 m çapında ve 5 m yüksekliğinde 6 adet adsorpsiyon filtre yatağına ihtiyaç vardır (3'ü kullanım için ve 3'ü rejenerasyon için). Benzer şekilde, eğer arıtılacak su hacmi 100 m³/saat ise, bu durumda 60 adet adsorpsiyon filtre yatağına ihtiyaç duyulacak ve bu da ekipman ölçeğini oldukça büyük hale getirecektir.
GAC kullanımı açısından, yukarıda bahsedilen 10 m³/saat kömür kimyasal atıksu örnek alındığında, 1000 mg/L CODcr (%30'u naftalen) ile 4 saatlik bir bekletme süresi CODcr'yi 700 mg/L'ye düşürebilir. Beklenti üç adsorpsiyon filtresinin her 7 günde (168 saat) yenilenmesiyse, üç adsorpsiyon tankında 14 t GAC gerekir ve altı adsorpsiyon tankında 28 t GAC gerekir. GAC'ın toplu yoğunluğu 450~600 kg/m³'tür, yani 28 t GAC 46~62 m³'ye eşdeğerdir, bu da altı adsorpsiyon filtresinin neredeyse dolu olduğu anlamına gelir (bir tasarım enstitüsü genellikle sıfır-deşarjlı atık su projelerinde adsorpsiyon filtrelerini GAC ile dolduracak şekilde tasarım yapar). Tutma süresini ve geri yıkama genleşme oranını sağlamak için ekipman ölçeğinin daha da iki katına çıkarılması gerekir.
Ayrıca çok sayıda çalışma, GAC'ın 3~4 termal rejenerasyonundan sonra adsorpsiyon kapasitesinin yeni karbonun %80'inden fazlasına düştüğünü ve 5~10 termal rejenerasyondan sonra GAC'ın esasen kullanılamaz hale geldiğini göstermiştir. Yukarıdaki örnekte her 7 günde bir rejenerasyonun gerçekleştiği varsayılmaktadır; bu, bu aktif karbon grubunun altı aydan fazla olmayan bir kullanım ömrüne sahip olduğu ve bunun da rejenerasyon ve karbon değişimi için büyük maliyetlere yol açtığı anlamına gelir. Ayrıca, rejenerasyon esasen GAC tarafından adsorbe edilen organik maddenin atmosfere geri salınmasını içerir; gerçekte GAC organik maddeyi tam anlamıyla ortadan kaldırmaz.