석탄 화학 폐수(CCW)에 대한 무방류 프로젝트에서 유기물의 분해는 막 농축 및 증발 결정화 시스템에 들어가기 전에 "전처리 + 생화학적 처리 + 고급 처리"를 포함하는 도시 폐수와 유사한 프로세스를 사용하는 경우가 많습니다. 농축 후 CODcr을 제거하는 것은 석탄 화학 폐수 배출 제로 분야에서 오랫동안 과제였습니다. 일부 실현 가능한 기술은 간과되었고, 실현 불가능한 기술이 중심 무대에 올랐습니다. 이 기사에서는 수처리 전문가가 참고할 수 있도록 석탄 화학 폐수 배출 제로에서 활성탄 흡착의 적용 가능성을 탐구합니다.
I. 석탄화학폐수 내 주요 유기오염물질
석탄 화학 폐수는 다양한 석탄 처리 과정에서 발생하는{0}}처리가 어려운-일반적인 산업 폐수입니다. 방향족 탄화수소는 석탄화학 폐수에서 CODcr의 주요 원인으로 50% 이상을 차지합니다. 벤젠 화합물(BTEX, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, p-자일렌), 페놀, 다환 방향족 탄화수소(PAH)가 대표적인 예입니다. Zhang et al. 에서는 처리 과정 중 석탄화학 폐수 내 유기물의 변화를 연구한 결과, '전처리 + 생화학적 처리 + 고도 처리' 과정을 거친 후 물 속 유기물의 큰 분자 비율이 증가하고(나머지 유기물은 작은 분자 유기물을 제거하기 어렵다는 일부 설계 연구소나 EPC 단위의 주장과 달리) PAH가 그 구성을 지배하게 됨을 입증했습니다. (참고: Zhang L, Liu H, Wang Y, et al. 석탄 액화 폐수 처리 중 용존 유기물의 구성 특성 및 환경 영향[J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)
II. 석탄화학폐수에 대한 활성탄의 흡착성능에 관한 연구
석탄 화학 폐수 무방류 프로젝트에서 병목 현상 문제가 된 것은 바로 남은 유기물(주로 PAH)입니다. 이러한 유기물이 막 농축 구역으로 들어가면 농도가 두 배로 증가합니다. 일부 설계 기관이나 EPC 부서에서는 비판적 분석 없이 또는 근거 없는 주장을 바탕으로 막 농축 단계에서 활성탄 흡착 기술을 강력하게 홍보합니다. 그들은 궁극적으로 CODcr의 활성탄 흡착이 막 농축 또는 증발 결정화 이전에 가능하다는 결론을 내렸습니다. 그러나 활성탄 흡착 기술이 유기물, 주로 PAH를 추가로 제거하는 데 정말 적합한가요?
입상 활성탄(GAC)은 평균 기공 크기가 3.2~3.4nm이며, 미세 기공이 25~27%, 중간 기공이 73~75%를 차지합니다. PAH는 100개 이상의 분자 구조를 가지고 있으며, 나프탈렌, 아세나프텐, 플루오렌 및 페난트렌은 석탄 화학 폐수의 주요 화합물입니다. Dinushika 등의 연구. 나프탈렌과 아세나프텐은 몰 부피와 분자 크기가 상대적으로 작아서 GAC에 의한 흡착 속도가 상대적으로 높은 반면, 플루오렌과 페난트렌은 몰 부피와 분자 크기가 상대적으로 커서 GAC에 의한 흡착 속도가 상대적으로 낮다는 것을 발견했습니다. GAC는 약 14mg/g의 흡착 용량으로 4~8시간 내에 나프탈렌과 아세나프텐의 흡착 평형에 도달합니다. GAC는 16~24시간 안에 플루오렌과 페난트렌의 흡착 평형에 도달하며, 흡착 용량은 약 12mg/g(36mg CODcr/g GAC에 해당)입니다. (참고: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, 등. 과립 활성탄을 사용하여 물에서 다환 방향족 탄화수소 제거: 운동 및 평형 흡착 연구[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(14): 13511-13524.)
III. 활성탄 흡착의 실용화에 관한 논의
실제 적용에서 활성탄 흡착을 위한 체류 시간이 16~24시간으로 설정되면 다중 흡착 필터가 필요하며 이는 명백히 비실용적입니다. 약 4시간 정도의 체류시간이 적당하지만 이때 GAC는 주로 나프탈렌을 흡착하고 아세나프텐, 플루오렌, 페난트렌과 같은 다른 PAH에는 큰 흡착 효과가 없습니다.
흡착여과층의 설비규모로 볼 때 체류시간은 4시간으로 결코 짧지 않다. 석탄화학폐수의 '전처리+생물학적 처리+고도처리+막농도' 후 잔수량이 10m3/h이고, 흡착여과층 체류시간을 4시간으로 가정하면 직경 1.8m, 높이 5m 크기의 흡착여과층 6개(사용용 3개, 재생용 3개)가 필요하다. 마찬가지로, 처리할 물의 양이 100m3/h라면 흡착 필터 베드 60개가 필요하므로 장비 규모가 상당히 커집니다.
GAC 사용량 측면에서 앞서 언급한 10m3/h 석탄 화학 폐수를 예로 들면 CODcr이 1000mg/L(30%는 나프탈렌임)인 경우 체류 시간을 4시간으로 설정하면 CODcr을 700mg/L로 줄일 수 있습니다. 7일(168시간)마다 3개의 흡착 필터를 재생해야 하는 경우 3개의 흡착 탱크에는 14t의 GAC가 필요하고 6개의 흡착 탱크에는 28t의 GAC가 필요합니다. GAC의 부피 밀도는 450~600kg/m³이므로 GAC 28t은 46~62m³에 해당합니다. 즉, 6개의 흡착 필터가 거의 가득 찼음을 의미합니다. 설계 연구소에서는 무방류 폐수 프로젝트에서 흡착 필터를 GAC로 채우도록 설계하는 경우가 많습니다.- 머무름 시간과 역세 확장률을 보장하려면 장비 규모를 두 배로 늘려야 합니다.
또한 수많은 연구에 따르면 GAC의 3~4회 열 재생 후에는 흡착 용량이 새로운 탄소의 흡착 용량의 80% 이상으로 떨어지고 5~10회 열 재생 후에는 GAC를 본질적으로 사용할 수 없는 것으로 나타났습니다. 위의 예에서는 7일마다 재생한다고 가정합니다. 즉, 이 활성탄 배치의 수명은 6개월을 넘지 않으며 재생 및 탄소 교체에 막대한 비용이 발생합니다. 더욱이 재생에는 본질적으로 GAC에 의해 흡착된 유기물을 대기 중으로 다시 방출하는 것이 포함됩니다. 실제로 GAC는 유기물을 실제로 제거하지 않습니다.