Dans les projets à rejet zéro pour les eaux usées chimiques du charbon (CCW), la dégradation de la matière organique utilise souvent un processus similaire à celui des eaux usées municipales, impliquant « un prétraitement + un traitement biochimique + un traitement avancé », avant d'entrer dans un système de concentration et de cristallisation par évaporation à membrane. L'élimination du CODcr après concentration constitue depuis longtemps un défi dans le domaine du rejet nul des eaux usées chimiques du charbon. Certaines technologies réalisables ont été négligées, tandis que les technologies irréalisables ont occupé le devant de la scène. Cet article explore l’applicabilité de l’adsorption sur charbon actif dans le cas d’un rejet nul d’eaux usées chimiques du charbon, à titre de référence pour les professionnels du traitement de l’eau.
I. Principaux polluants organiques présents dans les eaux usées chimiques du charbon
Les eaux usées chimiques du charbon sont des eaux usées industrielles typiques-difficiles à-traiter générées lors de divers processus de traitement du charbon. Les hydrocarbures aromatiques sont le principal contributeur à la DCOcr dans les eaux usées chimiques du charbon, représentant plus de 50 %. Les composés benzéniques (BTEX, benzène, toluène, éthylbenzène, p-xylène), les phénols et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) en sont des exemples typiques. Zhang et coll. a étudié les changements dans la matière organique dans les eaux usées chimiques du charbon au cours du processus de traitement, prouvant qu'après le processus « prétraitement + traitement biochimique + traitement avancé », la proportion de grosses molécules de matière organique dans l'eau a augmenté (contrairement aux affirmations de certains instituts de conception ou unités EPC selon lesquelles la matière organique restante est difficile-à éliminer-la matière organique à petites molécules), et la composition est devenue dominée par les HAP. (Référence : Zhang L, Liu H, Wang Y et al. Caractéristiques de composition de la matière organique dissoute lors du traitement des eaux usées de liquéfaction du charbon et ses implications environnementales [J]. Science of the Total Environment, 2020, 704 : 135409.)
II. Recherche sur les performances d'adsorption du charbon actif pour les eaux usées chimiques du charbon
Ce sont précisément les matières organiques restantes, principalement les HAP, qui sont devenues le problème du goulot d'étranglement dans le projet sans rejet-d'eaux usées chimiques du charbon. Une fois que ces matières organiques entrent dans la section de concentration membranaire, leur concentration double. Certains instituts de conception ou unités EPC promeuvent fortement la technologie d'adsorption sur charbon actif lors de l'étape de concentration membranaire, sans aucune analyse critique ou sur la base d'allégations infondées. Ils concluent finalement que l’adsorption de CODcr sur charbon actif est réalisable avant la concentration membranaire ou la cristallisation par évaporation. Cependant, la technologie d’adsorption sur charbon actif est-elle vraiment adaptée à une élimination plus poussée des matières organiques, principalement des HAP ?
Le charbon actif granulaire (CAG) a une taille moyenne de pores comprise entre 3,2 et 3,4 nm, les micropores représentant 25 à 27 % et les mésopores représentant 73 à 75 %. Les HAP ont plus de 100 structures moléculaires, le naphtalène, l'acénaphtène, le fluorène et le phénanthrène étant les principaux composés présents dans les eaux usées chimiques du charbon. Les études de Dinushika et al. ont découvert que le naphtalène et l'acénaphtène ont des volumes molaires et des tailles moléculaires relativement petits, ce qui entraîne des taux d'adsorption relativement élevés par GAC, tandis que le fluorène et le phénanthrène ont des volumes molaires et des tailles moléculaires relativement grands, conduisant à des taux d'adsorption relativement faibles par GAC. Le GAC atteint l’équilibre d’adsorption pour le naphtalène et l’acénaphtène en 4 à 8 h, avec une capacité d’adsorption d’environ 14 mg/g. Le GAC atteint l’équilibre d’adsorption pour le fluorène et le phénanthrène en 16 à 24 h, avec une capacité d’adsorption d’environ 12 mg/g, équivalente à 36 mg de DCOcr/g de GAC. (Référence : Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Élimination des hydrocarbures aromatiques polycycliques de l'eau à l'aide de charbon actif granulaire : études d'adsorption cinétique et à l'équilibre [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(14) : 13511-13524.)
III. Discussion sur l'application pratique de l'adsorption sur charbon actif
Dans les applications pratiques, si le temps de séjour pour l’adsorption sur charbon actif est réglé entre 16 et 24 h, plusieurs filtres d’adsorption seraient nécessaires, ce qui n’est évidemment pas pratique. Un temps de séjour d'environ 4 heures est raisonnable, mais à ce moment, le GAC adsorbe principalement le naphtalène et n'a aucun effet d'adsorption significatif sur les autres HAP tels que l'acénaphtène, le fluorène et le phénanthrène.
Du point de vue de l’échelle d’équipement du lit filtrant d’adsorption, un temps de séjour de 4 heures n’est pas court. En supposant que le volume d'eau restant des eaux usées chimiques du charbon après « prétraitement + traitement biologique + traitement avancé + concentration membranaire » est de 10 m³/h et que le temps de séjour du lit filtrant d'adsorption est fixé à 4 heures, alors 6 lits filtrants d'adsorption d'un diamètre de 1,8 m et d'une hauteur de 5 m sont nécessaires (3 pour l'utilisation et 3 pour la régénération). De même, si le volume d’eau à traiter est de 100 m³/h, alors 60 lits filtrants par adsorption seraient nécessaires, ce qui rendrait l’échelle de l’équipement assez grande.
En termes d'utilisation de CAG, en prenant comme exemple les eaux usées chimiques de charbon de 10 m³/h susmentionnées, avec une DCOcr de 1 000 mg/L (dont 30 % de naphtalène), un temps de rétention de 4 h peut réduire la DCOcr à 700 mg/L. Si l’on s’attend à régénérer les trois filtres d’adsorption tous les 7 jours (168 h), alors 14 t de CAG sont nécessaires dans les trois réservoirs d’adsorption, et 28 t de CAG sont nécessaires dans les six réservoirs d’adsorption. La densité apparente du CAG est de 450 à 600 kg/m³, donc 28 t de CAG équivaut à 46 à 62 m³, ce qui signifie que les six filtres d'adsorption sont presque pleins (un institut de conception conçoit souvent de remplir les filtres d'adsorption avec du CAG dans les projets d'eaux usées à rejet nul). Pour garantir le temps de rétention et le taux d’expansion du lavage à contre-courant, l’échelle de l’équipement doit encore être doublée.
De plus, de nombreuses études ont montré qu'après 3 à 4 régénérations thermiques du GAC, sa capacité d'adsorption chute à plus de 80 % de celle du nouveau carbone, et qu'après 5 à 10 régénérations thermiques, le GAC est essentiellement inutilisable. L'exemple ci-dessus suppose une régénération tous les 7 jours, ce qui signifie que ce lot de charbon actif a une durée de vie ne dépassant pas six mois, ce qui entraîne des coûts énormes pour la régénération et le remplacement du charbon. Par ailleurs, la régénération consiste essentiellement à relâcher dans l'atmosphère la matière organique adsorbée par le CAG ; en réalité, le GAC n'élimine pas véritablement la matière organique.