石炭化学排水ゼロ排出における活性炭吸着の適用可能性

石炭化学排水（CCW）のゼロ排出プロジェクトでは、有機物の分解には、膜濃縮および蒸発結晶化システムに入る前に、「前処理 + 生化学処理 + 高度処理」を含む都市排水と同様のプロセスが使用されることがよくあります。石炭化学廃水のゼロ排出の分野では、濃縮後の CODcr の除去が長年の課題でした。実現可能な技術の中には無視されてきたものもありますが、実現不可能な技術が注目を集めています。この記事では、水処理の専門家による参考として、石炭化学廃水のゼロ排出における活性炭吸着の適用可能性を検討します。

石炭化学廃水は、さまざまな石炭処理プロセスで発生する典型的な処理が困難な産業廃水です。{0}{1}芳香族炭化水素は石炭化学廃水中の CODcr の主な原因物質であり、50% 以上を占めます。ベンゼン化合物（BTEX、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、p-キシレン）、フェノール、多環芳香族炭化水素（PAH）が代表的な例です。張ら。彼らは、処理プロセス中の石炭化学廃水中の有機物の変化を研究し、「前処理 + 生化学的処理 + 高度な処理」プロセスの後、水中の大きな分子の有機物の割合が増加し（一部の設計機関や EPC 部門の、残留有機物による低分子有機物の除去は困難であるという主張に反して）、組成は PAH によって支配されるようになったことが証明されました。 (参照: Zhang L、Liu H、Wang Y、他。石炭液化廃水処理中の溶解有機物の組成特性とその環境への影響[J]。Science of the Total Environmental、2020、704: 135409。)

石炭化学廃水のゼロ排出プロジェクトにおけるボトルネック問題となっているのは、まさに残留有機物、主に PAH です。{0}これらの有機物が膜濃縮部に入ると、その濃度は2倍になります。一部の設計機関や EPC 部門は、批判的な分析を行わず、または根拠のない主張に基づいて、膜濃縮段階で活性炭吸着技術を強力に推進しています。彼らは最終的に、膜濃縮または蒸発結晶化の前に CODcr の活性炭吸着が可能であると結論付けています。しかし、活性炭吸着技術は、有機物、主に PAH をさらに除去するのに本当に適しているのでしょうか?

粒状活性炭 (GAC) の平均細孔径は 3.2 ～ 3.4 nm で、ミクロ細孔が 25% ～ 27%、メソ細孔が 73% ～ 75% を占めます。 PAH には 100 以上の分子構造があり、ナフタレン、アセナフテン、フルオレン、フェナントレンが石炭化学廃水の主な化合物です。 Dinushikaらによる研究。ナフタレンとアセナフテンはモル体積と分子サイズが比較的小さいため、GAC による吸着速度が比較的高くなりますが、フルオレンとフェナントレンはモル体積と分子サイズが比較的大きいため、GAC による吸着速度が比較的低いことがわかりました。 GAC は 4 ～ 8 時間でナフタレンとアセナフテンの吸着平衡に達し、吸着容量は約 14 mg/g になります。 GAC は 16 ～ 24 時間でフルオレンとフェナントレンの吸着平衡に達し、吸着容量は約 12 mg/g で、これは 36 mg CODcr/g GAC に相当します。 (参照: Eeshwarasinghe D、Loganathan P、Kalaruban M、他。粒状活性炭を使用した水からの多環芳香族炭化水素の除去: 速度論的および平衡吸着研究[J]。Environment Science and Pollution Research、2018、25(14): 13511-13524。)

実際のアプリケーションでは、活性炭吸着の滞留時間を 16 ～ 24 時間に設定すると、複数の吸着フィルターが必要になりますが、これは明らかに非現実的です。約 4 時間の滞留時間は妥当ですが、現時点では、GAC は主にナフタレンを吸着し、アセナフテン、フルオレン、フェナントレンなどの他の PAH に対して顕著な吸着効果はありません。

吸着濾床の設備規模からすると４時間という滞留時間は決して短くない。 「前処理＋生物処理＋高度処理＋膜濃縮」後の石炭化学排水の残水量を10m3/h、吸着ろ床の滞留時間を4時間とすると、直径1.8m、高さ5mの吸着ろ床が6枚（使用用3枚、再生用3枚）必要となります。同様に、処理水量が100m3/hの場合、吸着ろ床が60枚必要となり、装置規模が非常に大きくなります。

GAC の使用に関しては、前述の 10 m3/h の石炭化学廃水を例にとると、CODcr が 1000 mg/L (その 30% がナフタレン) の場合、4 時間の滞留時間で CODcr を 700 mg/L に下げることができます。 3 つの吸着フィルターを 7 日 (168 時間) ごとに再生すると予想される場合、3 つの吸着タンクでは 14 t の GAC が必要となり、6 つの吸着タンクでは 28 t の GAC が必要になります。 GAC のかさ密度は 450~600 kg/m3 なので、28 t の GAC は 46~62 m3 に相当します。これは、6 つの吸着フィルタがほぼ満杯であることを意味します（設計機関は、排水ゼロプロジェクトで吸着フィルタに GAC を充填するように設計することがよくあります）-。滞留時間や逆洗膨張率を確保するには、さらに2倍の設備規模が必要となります。

さらに、多くの研究により、GAC を 3 ～ 4 回熱再生すると、その吸着能力は新しい炭素の 80% 以上に低下し、5 ～ 10 回の熱再生後は実質的に使用できなくなることが示されています。上の例では 7 日ごとの再生を想定しています。これは、このバッチの活性炭の寿命が 6 か月以内であることを意味し、再生と炭素の交換に多大なコストがかかります。さらに、再生には基本的に、GAC に吸着された有機物を大気中に放出することが含まれます。実際には、GAC は有機物を完全には除去しません。