活性炭吸附在煤化工废水零排放中的适用性

活性炭吸附在煤化工废水零排放中的适用性

在煤化工废水（coal chemical wastewater，CCW）零排放项目中，对有机物的降解往往先采用类似于市政废水的“预处理+生化处理+深度处理”工艺，而后进入膜浓缩和蒸发结晶系统，经浓缩后的CODcr去除问题一直困扰着煤化工废水零排放领域。一些可行的技术被忽视，而不可行的技术却“登上舞台”。

一、煤化工废水中主要有机污染物

煤化工废水是各种煤炭加工过程中产生的一种典型的难处理工业废水，芳烃是煤化工废水中CODcr的主要贡献者，占比超过50%，苯类（BTEX，苯、甲苯、乙苯、对二甲苯）、酚类和多环芳烃（PAHs）是典型的代表。Zhang等研究了在处理过程中煤化工废水中有机物的变化情况，证明了经“预处理+生化处理+深度处理”工艺后，水中有机物的大分子占比例增加（这与一些设计院或EPC单位宣称的剩余的是难去除的小分子有机物相反）、成分变为以PAHs为主。（参考文献：Zhang L, Liu H, Wang Y, et al. Compositional characteristics of dissolved organic matter during coal liquefaction wastewater treatment and its environmental implications[J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.）

二、活性炭对煤化工废水的吸附性能研究情况

正是剩余的以PAHs为主的有机物成为煤化工废水零排放项目中的瓶颈问题。这些有机物进入膜浓缩工段以后，浓度翻倍提升。一些设计院或EPC单位在膜浓缩阶段强推活性炭吸附工艺，不进行任何辨证或以毫无根据的话作为说辞，最终得出在膜浓缩或蒸发结晶前，采用活性炭吸附CODcr可行的结论，那么，活性炭吸附工艺到底是否适合进一步去除以PAHs为主的有机物呢？

颗粒活性炭（GAC）的平均孔径在3.2~3.4 nm之间，微孔占比25%~27%、介孔占比73%~75%。PAHs的分子结构有100多种，在煤化工废水中主要是萘、苊、芴、菲等。Dinushika等人研究发现，萘和苊的摩尔体积和分子尺寸相对较小，GAC对二者吸附速率相对较高，而芴和菲的摩尔体积和分子尺寸相对较大，GAC对二者吸附速率相对较低。GAC对萘和苊吸附时间在4~8 h时，达到吸附平衡，此时的吸附量达到约14 mg/g；GAC对芴和菲吸附时间在16~24 h时，达到吸附平衡，此时的吸附量达到约12 mg/g，换算为CODcr相当于36 mgCODcr/gGAC。（参考文献：Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Removing polycyclic aromatic hydrocarbons from water using granular activated carbon: kinetic and equilibrium adsorption studies[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(14): 13511-13524.）

三、活性炭吸附的实际应用情况讨论

在实际使用中，如果将活性炭吸附的停留时间设定在16~24 h，那么便需要多个吸附滤床，这显然不现实。停留时间设定在4 h左右较为合理，但此时GAC主要吸附萘，而对苊、芴、菲等其它的PAHs没有明显的吸附效果。

从吸附滤床的设备规模来看，4 h的停留时间也并不算短，假设煤化工废水经“预处理+生化处理+深度处理+膜浓缩”后水量剩余10 m?/h，设定吸附滤床停留时间为4 h，则需要6个直径1.8 m、高5 m的吸附滤床（3用3再生），以此类推，如果处理水量为100 m?/h，则需要60个这样的吸附滤床，设备规模相当庞大。

从GAC使用量来看，以上述10 m?/h煤化工废水为例，CODcr为1000 mg/L，其中有30%是萘，则停留时间为4 h时，CODcr可降低至700 mg/L，如果期望每7 d（168 h）将投用的3个吸附滤床再生1次，则3个吸附罐内需要装填14 tGAC，6个吸附罐就需要28 tGAC。GAC的堆积密度为450~600 kg/m?，28 tGAC相当于46~62 m?，6个吸附滤床接近装满状态（某设计院经常在废水零排放项目中设计将吸附滤床装满GAC），如果要保证停留时间和反洗膨胀率，还要进一步翻倍的扩大设备规模。

另外，众多学者研究表明，对GAC进行3~4次热再生后，吸附能力下降至新炭的80%以上，经历5~10次热再生后，GAC基本报废。上例中是按照每7 d再生一次进行考虑的，这相当于这一批活性炭使用寿命不超过半年，再生和换炭成本巨大。同时，再生本就是将GAC吸附的有机物再次解析出来，实际上，GAC并没有真正去除有机物。

结语

国内很多煤化工废水零排放项目在膜浓缩段或蒸发结晶前采用活性炭吸附工艺去除CODcr，但使用效果普遍不好，很多项目中的活性炭吸附滤床甚至不敢投运，大量工程投资只能闲置，这是由于有的项目中GAC失效速度太快、有的项目中GAC根本吸附不了水中的COD。造成这种局面的根本原因是一些设计院或EPC单位以“带货”心态选工艺、搞设计，对其他可行的工艺做“有罪推论”，本着“干掉熊猫，活性炭就是国宝”的不正心态做项目，最终结果必然以失败收场。还有一些活性炭厂商鼓吹对活性炭改性了，采购单位完全可以问其如何进行改性，改性后为什么可以提高吸附能力？对哪些有机物提高了吸附能力？这些微观的机理问题，必定是一问一个不吱声。cr