تجهیزات تصفیه پساب الکتروشیمیایی برای تصفیه پساب کک‌سازی

I. مرور کلی محصول

فاضلاب کک‌سازی یکی از دشوارترین فاضلاب‌ها برای تصفیه در صنعت شیمیایی زغال‌سنگ است. این فاضلاب از فرآیندهای کربن‌سازی در دمای بالا (کک‌سازی)، تصفیه گاز و بازیابی محصولات شیمیایی زغال‌سنگ نشأت می‌گیرد و عمدتاً شامل آب آمونیاک باقی‌مانده، فاضلاب خنک‌کننده نهایی گاز زغال‌سنگ، آب جداسازی بنزن خام و فاضلاب تصفیه قیر است. ویژگی‌های کیفی معمول آب آن عبارتند از: غلظت بالای COD، غلظت بالای نیتروژن آمونیاکی، محتوای بالای مواد سمی مقاوم به تجزیه (فنول‌ها، ترکیبات سری بنزن، هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای، ترکیبات هتروسیکلیک مانند پیریدین، کینولین، کاربازول و غیره)، زیست‌تجزیه‌پذیری بسیار ضعیف (BOD₅/COD معمولاً 0.10~0.20)، محتوای بالای سیانید و سولفید، محتوای روغن (قیر) و نوسانات زیاد در کیفیت و کمیت آب.

تصفیه فاضلاب کک‌سازی مدت‌هاست که یک چالش زیست‌محیطی اصلی برای شرکت‌های کک‌سازی بوده است. مسیرهای فرآیندی سنتی معمولاً از الگوی "پیش‌تصفیه (جداسازی روغن، جداسازی فنول، استریپینگ آمونیاک) → تصفیه بیولوژیکی (A/O، A²/O، SBR و غیره) → تصفیه پیشرفته" پیروی می‌کنند، اما در عملیات واقعی با چالش‌های متعددی روبرو هستند: ① ترکیبات فنولی، سیانیدها و ترکیبات هتروسیکلیک به شدت میکروارگانیسم‌ها را در سیستم بیولوژیکی مهار یا حتی از بین می‌برند و منجر به مسمومیت مکرر و حجیم شدن لجن فعال و عملیات ناپایدار سیستم بیولوژیکی می‌شوند؛ ② زیست‌تجزیه‌پذیری بسیار ضعیف (B/C < 0.20)، نرخ حذف COD محدود در مرحله بیولوژیکی و COD پساب بسیار پایین‌تر از استانداردهای فعلی تخلیه؛ ③ دمای پایین زمستان باعث کاهش شدید یا حتی توقف راندمان نیتریفیکاسیون سیستم‌های بیولوژیکی می‌شود و منجر به تجاوز قابل توجه نیتروژن آمونیاکی می‌شود. این سیستم از فناوری اکسیداسیون الکتروشیمیایی استفاده می‌کند و می‌تواند به طور انعطاف‌پذیر در مراحل مختلف فرآیند تصفیه فاضلاب کک‌سازی ادغام شود و وظایف اصلی زیر را بر عهده بگیرد:

برای پساب حذف فنول پس از استریپینگ آمونیاک: اکسیداسیون و تجزیه مستقیم مواد سمی مانند فنول‌ها، سیانیدها و ترکیبات هتروسیکلیک در فاضلاب، حذف کامل سمیت بیولوژیکی در عرض 1-2 ساعت. نسبت B/C از 0.10-0.20 به بیش از 0.35 افزایش می‌یابد و شرایط ورودی ایمن و پایدار را برای سیستم‌های بیولوژیکی بعدی ایجاد می‌کند و به طور موثر از فروپاشی سیستم به دلیل شوک جلوگیری می‌کند.

برای تصفیه پیشرفته پساب بیولوژیکی: حذف عمیق COD باقی‌مانده (مواد هومیک مقاوم به تجزیه، پلیمرهای آروماتیک و غیره) و رنگ از پساب بیولوژیکی، حذف کامل COD و رنگ برای مطابقت با سخت‌ترین استانداردهای انتشار.

برای تصفیه فاضلاب خنک‌کننده: پس از حذف COD و رنگ، فاضلاب در سیستم خنک‌کننده مجدداً استفاده می‌شود و گردش حلقه بسته آب خنک‌کننده را محقق می‌سازد و خطر مصرف آب تازه و آلودگی خارجی را کاهش می‌دهد.

کل فرآیند فقط برق مصرف می‌کند، بدون افزودن هیچ ماده شیمیایی، و هیچ پسماند خطرناکی مانند لجن آهن یا کربن اشباع شده جذب شده تولید نمی‌کند. الکترودها در برابر رسوب و آلودگی مقاوم هستند و می‌توانند با کیفیت‌های پیچیده آب مانند سختی بالا، شوری بالا و محتوای روغن در فاضلاب کک‌سازی سازگار شوند. این سیستم در دمای و فشار معمولی (0~40℃) کار می‌کند و تحت تأثیر تغییرات فصلی و دمایی قرار نمی‌گیرد. این یک فناوری کلیدی اصلی برای دستیابی به انطباق پایدار و ارتقاء تصفیه فاضلاب کک‌سازی است.

II. مشکلات در تصفیه فاضلاب کک‌سازی و راه حل‌ها با این تجهیزات

III. اصل کار

پس از پیش‌تصفیه مانند جداسازی روغن، رسوب‌گذاری و استریپینگ آمونیاک، فاضلاب کک‌سازی وارد راکتور الکتروشیمیایی می‌شود، جایی که واکنش‌های زیر تحت عمل الکترودها رخ می‌دهند:

(1) اکسیداسیون مستقیم الکتروشیمیایی آلاینده‌های سمی مشخصه فاضلاب کک‌سازی مستقیماً روی سطح آند اکسید می‌شوند: فنول‌ها (فنول، کرزول، نفتول و غیره): پس از هیدروکسیله شدن حلقه بنزن روی سطح آند، بیشتر اکسید شده و حلقه آن باز می‌شود و به اسیدهای آلی مولکولی کوچک تبدیل می‌شود و در نهایت به CO₂ و H₂O معدنی می‌شود. فرآیند اکسیداسیون و باز شدن حلقه فنول به طور کامل سمیت نفوذ به غشای سلولی آن را برای میکروارگانیسم‌ها از بین می‌برد. سیانید (CN⁻): مستقیماً در آند به سیانات (CN⁻→CNO⁻) اکسید می‌شود. سیانات بیشتر هیدرولیز شده و به آمونیاک و کربنات تبدیل می‌شود و سمیت بالای آن به طور کامل از بین می‌رود. ترکیبات هتروسیکلیک (پیریدین، کینولین، کاربازول، ایندول و غیره): حلقه هتروسیکلیک حاوی نیتروژن مستقیماً روی سطح آند حلقه باز می‌شود. N از حلقه آزاد شده و به NH₃ یا N₂ تبدیل می‌شود. ساختار سیستم حلقه از بین می‌رود و سمیت بیولوژیکی به شدت کاهش می‌یابد. هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای (نفتالین، آنتراسن، فنانتراسن و غیره): سیستم حلقه آروماتیک به تدریج روی سطح آند اکسید شده و حلقه آن باز می‌شود. ساختار تراکم مولکولی بزرگ به مواد قابل تجزیه مولکولی کوچک تجزیه می‌شود.

(2) اکسیداسیون غیرمستقیم الکتروشیمیایی الکترولیز آب توسط آند رادیکال‌های هیدروکسیل (·OH) تولید می‌کند. در عین حال، کلر فعال (Cl₂، H₂O) با الکترولیز یون‌های کلرید موجود در فاضلاب کک‌سازی تولید می‌شود. OCl، OCl⁻): رادیکال‌های هیدروکسیل حملات اکسیداتیو غیرانتخابی بر روی ترکیبات آلی مقاوم به تجزیه مختلف انجام می‌دهند، به ویژه اثرات باز شدن حلقه قابل توجهی بر روی هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای و ترکیبات هتروسیکلیک نشان می‌دهند. کلر فعال بیشتر به محلول نفوذ کرده و به سرعت نیتروژن آمونیاکی را اکسید می‌کند، در حالی که همزمان اکسیداسیون ترکیبات آلی که مستقیماً با آند تماس نداشته‌اند را تکمیل می‌کند.

(3) اکسیداسیون و حذف نیتروژن آمونیاکی: غلظت نیتروژن آمونیاکی در فاضلاب کک‌سازی بالا است و حذف الکتروشیمیایی از طریق مسیر اکسیداسیون غیرمستقیم حاصل می‌شود: یون‌های کلرید در آند الکترولیز شده و کلر فعال تولید می‌کنند. کلر فعال به سرعت نیتروژن آمونیاکی را به گاز نیتروژن اکسید می‌کند. یون‌های کلرید در واکنش بازسازی و گردش می‌کنند و به طور مداوم در اکسیداسیون نیتروژن آمونیاکی شرکت می‌کنند. نرخ حذف نیتروژن آمونیاکی می‌تواند به 80% تا 99% برسد.

(4) حذف همزمان COD و بهبود زیست‌تجزیه‌پذیری: پس از اکسیداسیون مستقیم و غیرمستقیم، ترکیبات آلی آروماتیک و هتروسیکلیک مولکولی بزرگ در فاضلاب کک‌سازی undergo: باز شدن حلقه آروماتیک/هتروسیکلیک → شکستن زنجیره مولکول‌های بزرگ → تبدیل به اسیدهای آلی مولکولی کوچک، الکل‌ها، آلدهیدها و غیره. این مولکول‌های آلی کوچک می‌توانند توسط میکروارگانیسم‌ها در تشخیص BOD₅ مورد استفاده قرار گیرند، بنابراین BOD₅ را افزایش می‌دهند؛ در عین حال، برخی از مواد آلی به طور کامل به CO₂ معدنی می‌شوند و باعث کاهش COD می‌شوند. نسبت B/C از 0.10~0.20 به بیش از 0.35 افزایش می‌یابد و منبع کربن زیست‌تجزیه‌پذیر با کیفیت بالا را برای سیستم‌های بیوشیمیایی بعدی فراهم می‌کند.

IV. مزایای کلیدی (با هدف فاضلاب کک‌سازی)

V. پارامترهای فنی (قابل تنظیم)

VI. محل فرآیند

گزینه 1: پیش‌تصفیه و سم‌زدایی قبل از فرآیند بیوشیمیایی

فاضلاب کک‌سازی → جداسازی روغن و رسوب‌گذاری (حذف قیر و SS) → تجهیزات تصفیه الکتروشیمیایی (حذف فنول‌ها، سیانیدها، ترکیبات هتروسیکلیک و بهبود نسبت B/C) → مخزن میانی/مخزن متعادل کننده → سیستم بیوشیمیایی → مخزن رسوب‌گذاری ثانویه → تخلیه مطابق با استانداردها

توضیح: این مهم‌ترین و اصلی‌ترین پیکربندی کاربردی در تصفیه فاضلاب کک‌سازی است. واحد سم‌زدایی الکتروشیمیایی قبل از سیستم بیوشیمیایی قرار می‌گیرد و وظایف اصلی "تجزیه اکسیداتیو فنول‌ها/سیانیدها/ترکیبات هتروسیکلیک + بهبود نسبت B/C" را بر عهده دارد. اگر فاضلاب کک‌سازی بدون سم‌زدایی الکتروشیمیایی مستقیماً وارد سیستم بیوشیمیایی شود، میکروارگانیسم‌ها در حالت مهار سمی طولانی مدت قرار می‌گیرند که منجر به عملیات بسیار ناپایدار سیستم می‌شود. پس از سم‌زدایی، نرخ حذف COD مرحله بیوشیمیایی به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد و سیستم در تمام طول سال پایدار عمل می‌کند و تحت تأثیر نوسانات سمیت ورودی قرار نمی‌گیرد.

گزینه 2: تصفیه پیشرفته بیوشیمیایی پساب

فاضلاب کک‌سازی → پیش‌تصفیه → سیستم بیوشیمیایی → مخزن رسوب‌گذاری ثانویه → سیستم تصفیه الکتروشیمیایی (حذف COD و رنگ باقی‌مانده) → تخلیه مطابق با استانداردها

گزینه 3: سم‌زدایی پیش از بیوشیمی + تصفیه پیشرفته پس از بیوشیمی

فاضلاب کک‌سازی → پیش‌تصفیه → سیستم تصفیه الکتروشیمیایی (پیش از بیوشیمی) → سیستم بیوشیمیایی → واحد تصفیه پیشرفته الکتروشیمیایی (پس از بیوشیمی) → تخلیه مطابق با استانداردها/استفاده مجدد

توجه: برای تصفیه‌خانه‌های فاضلاب کک‌سازی تازه تأسیس یا پروژه‌های ارتقاء جامع، یک واحد الکتروشیمیایی قبل و بعد از تصفیه بیوشیمیایی نصب می‌شود. بخش جلویی مسئول سم‌زدایی و بهبود زیست‌تجزیه‌پذیری است و از تصفیه بیوشیمیایی پایدار و کارآمد اطمینان حاصل می‌کند؛ بخش پشتی مسئول حذف پیشرفته COD و رنگ باقی‌مانده است و از انطباق پایدار پساب اطمینان حاصل می‌کند. این دو واحد الکتروشیمیایی با هم کار می‌کنند و سیستم تصفیه فاضلاب کک‌سازی را در برابر شوک‌ها مقاوم‌تر، با پایدارترین پساب و بهینه‌ترین هزینه‌های عملیاتی می‌سازند. اگرچه سرمایه‌گذاری تجهیزات کمی بیشتر از پیکربندی تک واحدی است، اما قابلیت اطمینان سیستم بیوشیمیایی و قطعیت انطباق نهایی پساب به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد و در نتیجه بهترین هزینه کلی را به همراه دارد.