Em projetos de descarga zero para águas residuais químicas de carvão (CCW), a degradação da matéria orgânica muitas vezes emprega um processo semelhante ao das águas residuais municipais, envolvendo "pré-tratamento + tratamento bioquímico + tratamento avançado", antes de entrar em um sistema de concentração por membrana e cristalização por evaporação. A remoção de CODcr após a concentração tem sido um desafio no campo da descarga zero de águas residuais químicas de carvão. Algumas tecnologias viáveis foram ignoradas, enquanto tecnologias inviáveis ocuparam o centro das atenções. Este artigo explora a aplicabilidade da adsorção de carvão ativado na descarga zero de águas residuais químicas de carvão para referência por profissionais de tratamento de água.
I. Principais poluentes orgânicos em águas residuais químicas de carvão
As águas residuais químicas do carvão são águas residuais industriais-difíceis de{1}}tratar, geradas durante vários processos de processamento de carvão. Os hidrocarbonetos aromáticos são os principais contribuintes para o CODcr nas águas residuais químicas do carvão, representando mais de 50%. Compostos de benzeno (BTEX, benzeno, tolueno, etilbenzeno, p-xileno), fenóis e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) são exemplos típicos. Zhang et al. estudaram as mudanças na matéria orgânica em águas residuais químicas de carvão durante o processo de tratamento, provando que após o processo de "pré-tratamento + tratamento bioquímico + tratamento avançado", a proporção de grandes moléculas de matéria orgânica na água aumentou (contrariamente às afirmações de alguns institutos de design ou unidades EPC de que a matéria orgânica restante é difícil-de-remover matéria orgânica de moléculas pequenas), e a composição tornou-se dominada por PAHs. (Referência: Zhang L, Liu H, Wang Y, et al. Características de composição da matéria orgânica dissolvida durante o tratamento de águas residuais de liquefação de carvão e suas implicações ambientais[J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)
II. Pesquisa sobre o desempenho de adsorção de carvão ativado para águas residuais químicas de carvão
É precisamente a matéria orgânica restante, principalmente PAHs, que se tornou o gargalo do projeto-de descarga zero de águas residuais químicas de carvão. Depois que essas matérias orgânicas entram na seção de concentração da membrana, sua concentração dobra. Alguns institutos de design ou unidades EPC promovem fortemente a tecnologia de adsorção de carvão ativado durante a fase de concentração da membrana, sem qualquer análise crítica ou com base em alegações infundadas. Em última análise, eles concluem que a adsorção de CODcr por carvão ativado é viável antes da concentração na membrana ou da cristalização por evaporação. No entanto, a tecnologia de adsorção de carvão ativado é realmente adequada para remoção adicional de matéria orgânica, principalmente PAHs?
O carvão ativado granular (GAC) tem um tamanho médio de poro entre 3,2 e 3,4 nm, com microporos representando 25% a 27% e mesoporos representando 73% a 75%. Os PAHs têm mais de 100 estruturas moleculares, sendo naftaleno, acenafteno, fluoreno e fenantreno os principais compostos nas águas residuais químicas do carvão. Estudos de Dinushika et al. descobriram que o naftaleno e o acenafteno têm volumes molares e tamanhos moleculares relativamente pequenos, resultando em taxas de adsorção relativamente altas para eles pelo GAC, enquanto o fluoreno e o fenantreno têm volumes molares e tamanhos moleculares relativamente grandes, levando a taxas de adsorção relativamente baixas pelo GAC. O GAC atinge o equilíbrio de adsorção para naftaleno e acenafteno em 4–8 h, com capacidade de adsorção de aproximadamente 14 mg/g. O GAC atinge o equilíbrio de adsorção para fluoreno e fenantreno em 16–24 h, com capacidade de adsorção de aproximadamente 12 mg/g, equivalente a 36 mg CODcr/g GAC. (Referência: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Removendo hidrocarbonetos aromáticos policíclicos da água usando carvão ativado granular: estudos de adsorção cinética e de equilíbrio[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(14): 13511-13524.)
III. Discussão sobre a aplicação prática da adsorção de carvão ativado
Em aplicações práticas, se o tempo de residência para adsorção de carvão ativado for definido entre 16 e 24 horas, seriam necessários múltiplos filtros de adsorção, o que é obviamente impraticável. Um tempo de residência de cerca de 4 horas é razoável, mas neste momento, o GAC adsorve principalmente o naftaleno e não tem efeito de adsorção significativo em outros PAHs, como acenafteno, fluoreno e fenantreno.
Do ponto de vista da escala do equipamento do leito filtrante de adsorção, um tempo de residência de 4 horas não é curto. Supondo que o volume de água restante das águas residuais químicas de carvão após "pré-tratamento + tratamento biológico + tratamento avançado + concentração de membrana" seja de 10 m³/h, e o tempo de residência do leito filtrante de adsorção seja definido em 4 horas, então são necessários 6 leitos filtrantes de adsorção com diâmetro de 1,8 m e altura de 5 m (3 para uso e 3 para regeneração). Da mesma forma, se o volume de água a ser tratado for de 100 m³/h, então seriam necessários 60 leitos filtrantes de adsorção, tornando a escala do equipamento bastante grande.
Em termos de utilização de GAC, tomando como exemplo os acima mencionados 10 m³/h de águas residuais químicas de carvão, com um CODcr de 1000 mg/L (30% do qual é naftaleno), um tempo de retenção de 4 h pode reduzir o CODcr para 700 mg/L. Se a expectativa é regenerar os três filtros de adsorção a cada 7 dias (168 h), então são necessárias 14 t de GAC nos três tanques de adsorção e 28 t de GAC nos seis tanques de adsorção. A densidade aparente do GAC é de 450~600 kg/m³, então 28 t de GAC equivalem a 46~62 m³, o que significa que os seis filtros de adsorção estão quase cheios (um instituto de design geralmente projeta o preenchimento de filtros de adsorção com GAC em projetos de-descarga zero de águas residuais). Para garantir o tempo de retenção e a taxa de expansão de retrolavagem, a escala do equipamento precisa ser duplicada ainda mais.
Além disso, numerosos estudos mostraram que após 3 a 4 regenerações térmicas do GAC, sua capacidade de adsorção cai para mais de 80% daquela do novo carbono, e após 5 a 10 regenerações térmicas, o GAC fica essencialmente inutilizável. O exemplo acima pressupõe regeneração a cada 7 dias, o que significa que este lote de carvão ativado tem uma vida útil não superior a seis meses, resultando em enormes custos para regeneração e substituição de carbono. Além disso, a regeneração envolve essencialmente a libertação da matéria orgânica adsorvida pelo GAC de volta à atmosfera; na realidade, o GAC não remove verdadeiramente a matéria orgânica.