鋰電池生產(chǎn)廢水處理的工藝選型及運(yùn)行實(shí)踐

陸楊(寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司，福建 寧德 352100)

0 引言

在日新月異的現(xiàn)代進(jìn)程發(fā)展中，目前鋰電池的廣泛應(yīng)用于手機(jī)電池，平板等消費(fèi)類產(chǎn)品，同時(shí)也在電動汽車行業(yè)騰飛發(fā)展。鋰電池作為一種清潔能源，但在生產(chǎn)鋰電池的工藝工序中會產(chǎn)生相應(yīng)的工業(yè)廢水，其鋰電池工廠生產(chǎn)廢水主要分為陰極廢水及陽極廢水，廢水主要污染物質(zhì)有三元材料、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、炭粉、NMP 溶劑、去離子水溶劑。生產(chǎn)廢水的特點(diǎn)是：①陰極廢水和陽極廢水性質(zhì)不同，需分別收集進(jìn)行預(yù)處理；②陰極廢水中含有回收價(jià)值頗高的原材料，單獨(dú)處理后可在回收提純；③陰極廢水中含有重金屬鈷、鎳、錳，工程設(shè)計(jì)時(shí)需單獨(dú)考慮以上重金屬離子的去除；④陰極廢水和陽極廢水有機(jī)物濃度高，廢水可生化降解性一般，且廢水中含有不易好氧生化降解的大分子有機(jī)物，屬高濃度難生化的有機(jī)廢水。需與生活污水進(jìn)行混凝均質(zhì)。下文就實(shí)際運(yùn)行的一座鋰電池污水處理站進(jìn)行分析研究討論。

1 水量、水質(zhì)

1.1 運(yùn)行規(guī)模

生產(chǎn)廢水總量275T/d，其中陰極廢水150m3/d，陽極廢水75m3/d；生活污水50m3/d；

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

相關(guān)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)如表1。

表1 相關(guān)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)

1.3 出水水質(zhì)

出水滿足《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 30484—2013)表2 新建企業(yè)水污染物排放限值中間接排放標(biāo)準(zhǔn)要求，其各項(xiàng)指標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)如表2。

表2 各項(xiàng)指標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)

2 處理工藝

擬采用陰極廢水、陽極廢水分別收集，經(jīng)車間三級沉淀預(yù)處理后排入污水處理站調(diào)節(jié)池，陰極&陽極廢水通過泵抽入混凝沉淀池，通過不同的工藝參數(shù)控制，去除部分污染物，處理后的出水流入預(yù)酸化調(diào)節(jié)池。與廠區(qū)車間排放的生活污水在預(yù)酸化調(diào)節(jié)池內(nèi)匯集后采用“UASB 厭氧反應(yīng)池+A/O 池+二次沉淀”工藝進(jìn)入生化處理，最終通過規(guī)范排污口排入市政污水管網(wǎng)。該鋰電工業(yè)廢水站的出水水質(zhì)達(dá)到《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 30484—2013)表2 新建企業(yè)水污染物排放限值中間接排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 工藝原理分析

3.1 混凝沉淀

因陰極廢水中含有鈷、鎳、錳離子濃度低，但均是重金屬污染物，且可與OH-反應(yīng)生成不溶于水的沉淀物，根據(jù)《重金屬污水化學(xué)法處理設(shè)計(jì)規(guī)范》CECS92:97 中規(guī)定，以上重金屬廢水氫氧化物沉淀分離的最佳pH 為9～12。根據(jù)以上化學(xué)特性，針對陰極廢水采用氫氧化物化學(xué)沉淀分離的方法，的同時(shí)將pH值調(diào)整到9～12。該系統(tǒng)投入運(yùn)行管理中，經(jīng)過長期經(jīng)驗(yàn)摸索得出，將陰極混凝沉淀調(diào)節(jié)至pH=9.5 時(shí)，通過添加堿式氯化鋁，陽離子PAM 進(jìn)行混凝沉淀，COD 去除率20%以上，鈷、鎳、錳離子去除率在97%以上，在滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)能節(jié)省藥劑投加量；陽極混凝沉淀池將pH 控制在7～8，通過投加PAM，PAC 的，COD 去除率高達(dá)60%以上；重金屬的去除率達(dá)96%以上；

3.2 厭氧處理工藝

該鋰電廠工業(yè)廢水的營養(yǎng)源(C:N:P)比例嚴(yán)重不均衡，需要額外添加氮肥和葡萄糖，在系統(tǒng)投產(chǎn)運(yùn)行后，同步添加生活污水，增加其廢水的可生化性；生活污水與預(yù)處理的陰陽極廢水混合調(diào)節(jié)后，雖然BOD 與COD 比值大于0.3，可用于生物處理，但其混合廢水有機(jī)物濃度仍然很高，廢水可生化降解性差，直接用好氧處理由于有機(jī)負(fù)荷過高，導(dǎo)致處理效率低，同時(shí)因好氧生化需供給充足的空氣來創(chuàng)造微生物生長、繁殖的有利環(huán)境，能耗大，并產(chǎn)生的污泥量大，造成二次污染量大，故本系統(tǒng)采用厭氧生物處理，其起作用的細(xì)菌為水解細(xì)菌，產(chǎn)酸菌、產(chǎn)甲烷菌，在厭氧條件下，不需要?jiǎng)恿?，將有機(jī)物大部分降解到適宜于好氧生物降解的水平，同時(shí)產(chǎn)生的甲烷可二次燃燒利用回收。UASB 由污泥反應(yīng)區(qū)、氣液固三相分離器和氣室三部分組成?；旌衔鬯畯膮捬跷勰啻驳撞窟M(jìn)入，與污泥反應(yīng)器中的污泥進(jìn)行混合接觸，被污泥中的厭氧菌消耗分解為有機(jī)物(碳水化合物，沼氣)，靠厭氧過程中產(chǎn)生的沼氣上升運(yùn)動，使污泥床上部的污泥處于懸浮狀態(tài)，對下部的污泥層也有一定程度的攪動；沼氣不斷聚合上升，從污泥床的上部形成一些氣體附著在污泥顆粒上，隨后沼氣濃度越來越高，并夾帶著部分泥水進(jìn)入氣固液三相分離器。在三相分離其中，沼氣碰到分離器下部的反射板時(shí)，折向反射板的四周，然后穿過水層進(jìn)入沼氣收集室，固液混合液經(jīng)過反射進(jìn)入三相分離器沉淀區(qū)，污水中的污泥發(fā)生絮凝，顆粒逐漸增大，被沉淀區(qū)分離出來的污泥在重力作用下沉降至厭氧反應(yīng)區(qū)進(jìn)行循環(huán)。該工藝對有機(jī)物濃度去除率可達(dá)50%以上，對總氮也有一定的處理效果；進(jìn)一步降低了進(jìn)入好氧池的有機(jī)負(fù)荷。

3.3 好氧處理工藝

經(jīng)厭氧處理后的廢水進(jìn)入好氧池，對污染物進(jìn)一步降解，因出水氨氮要求必須小于30mg/l，總氮要求必須小于40mg/l，故在好氧處理工藝中兼顧去除COD 的同時(shí)需具備成熟的生物脫氮工藝，故本次好氧處理選型為A/O(硝化反硝化)工藝。A/O脫氮工藝創(chuàng)造了一個(gè)缺氧和好氧交替變化的生物環(huán)境，使得好氧異養(yǎng)菌，反硝化菌，硝化菌都處于缺氧/好氧交替環(huán)境中，構(gòu)成一個(gè)混凝菌群，能更高效的去除有機(jī)物及脫氮的功能；在缺氧條件下，反硝化菌利用污水中的有機(jī)碳作為電子供體，以硝酸鹽作為電子受體“無氧呼吸”,將回流液中硝態(tài)氮還原成氮?dú)忉尫胖链髿猓瑥亩到饬宋鬯锌偟鞍钡?；在好氧條件下，大量的好氧菌分解有機(jī)物的同時(shí)，硝化菌把污水中的氨氮氧化成硝酸鹽；再向缺氧池回流，為脫氮做好必要的準(zhǔn)備；該工藝對有機(jī)物濃度去除率可達(dá)90%以上，對總氮去除率可達(dá)70%以上，對總磷的去除率可達(dá)50%以上。

3.4 污泥減量化利用

本項(xiàng)目廢水處理過程中將產(chǎn)生一定量的物化污泥和生化剩余污泥，其中陰陽極污泥中有部分原材料可利用，若不妥善處理和處置，將造成二次污染。為了減少污泥產(chǎn)生量，陰極與陽極混凝沉淀后的污泥脫水需分別排入濃縮池，由氣動泵泵入脫水機(jī)進(jìn)行濾處理；根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，本項(xiàng)目實(shí)施后陰極污泥產(chǎn)生量約為150kg/d(污泥含水率約70%)，陽極污泥產(chǎn)生量約為600kg/d(污泥含水率約65%)，因物化污泥可直接通過箱式壓濾機(jī)進(jìn)行脫水，其脫水后的污泥送到有資質(zhì)的單位進(jìn)行二次分離提純；而生化部分二次沉淀池剩余污泥、UASB 厭氧反應(yīng)池剩余污泥定期排入生化污泥濃縮池濃縮，生化污泥因其污泥活性大，粘稠度高，故推薦生化剩余污泥使用疊螺壓濾機(jī)，生化剩余污泥產(chǎn)生量約為：235kg/d(污泥含水率約80%)，脫水后的污泥直接外運(yùn)堆肥；

4 主要構(gòu)筑物及設(shè)備參數(shù)

(1)陰陽極廢水調(diào)節(jié)池。陰極廢水調(diào)節(jié)池一座，砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置頂部蓋板，有效容積為48m3，尺寸為3.2m×3.4m×5.0m，有效水深4.5m。配置提升泵2 臺；電磁流量計(jì)一臺；陽極廢水調(diào)節(jié)池一座，砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置頂部蓋板，有效容積為90m3，尺寸為5.9m×3.4m×5.0m，有效水深4.5m。配置提升泵2 臺，電磁流量計(jì)一臺。

(2)陰陽極混凝沉淀池。陽極混凝沉淀池一座，砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置頂部蓋板，尺寸為4.6m×2.5m×5.0m，配置液堿、PAC、PAM 溶解配制裝置2 套，在線pH 檢測儀一套，排泥泵2 臺；陰極混凝沉淀池一座，砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置頂部蓋板，尺寸為3.2m×2.5m×5.0m。配置液堿、PAC、PAM 溶解配制裝置2 套，在線pH 檢測儀一套，排泥泵2 臺。

(3)預(yù)酸化調(diào)節(jié)池。預(yù)酸化調(diào)節(jié)池一座，砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置頂部蓋板，尺寸：3.1m×9.4m×5.0m，有效水深4.5m。提升泵2 臺，液位控制器1 套；電磁流量計(jì)1 套。

(4)UASB 池。厭氧反應(yīng)池一座，砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置頂部蓋板，平面尺寸為3.8m×6.6m×8.0m，有效容積：188m3。配置BS-1300型布水系統(tǒng)1 套，三相分離器1 套，收水堰1 套，沼氣收集裝置一套，厭氧循環(huán)泵2 臺；

(5)A/O(硝化-反硝化)。硝化-反硝化池一座，砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置頂部蓋板，尺寸為10.7m×6.6m×5.0m，有效水深4.5m。配置潛水?dāng)嚢杵? 臺，旋混曝氣器112 套，硝化液回流泵2 臺，在線溶氧儀1 臺。

(6)二沉池。二沉池一座，砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置頂部蓋板，尺寸為2.0m×6.6m×5.0m。配置沉淀池組件1 套，排泥泵4 臺，收水堰1 套。

(7)污泥濃縮池。陰極、綜合污泥濃縮池各一座，砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置頂部蓋板，尺寸為1.3m×2.5m×5.0m，有效水深4.5m。陽極污泥濃縮池一座，砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置頂部蓋板，尺寸為2.5m×2.5m×5.0m，有效水深4.5m。配置綜合、陰極、陽極污泥進(jìn)料氣動隔膜泵4臺，廂式壓濾機(jī)3 臺，疊螺壓濾機(jī)1 臺，配置陽離子PAM、陰離子PAM 溶解配制裝置2 套;

(8)事故池。事故池一座，砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置頂部蓋板，尺寸：7.1m×9.4m×5.0m，有效水深4.5m。

(9)規(guī)范化排污口。規(guī)范排污口1 座，磚混結(jié)構(gòu)，尺寸L×B×H=8.3×1.4×1.5m。配置在線檢測設(shè)備一套

5 成本分析

該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行三年，相比園區(qū)內(nèi)其他類似工廠的廢水處理站，其機(jī)械自動化化程度更高，工藝經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。其直接運(yùn)行成本分析如下：(1)人力成本：該工業(yè)廢水處理站自動化程度較高，無全職人員，日常運(yùn)行工作由工廠內(nèi)的機(jī)電部的運(yùn)行人員兼顧，其人力成本預(yù)估120 元/天，人力成本為0.44 元/噸水；(2)藥劑成本：該鋰電廠污水處理站主要投加藥劑有氫氧化鈉，聚合氯化鋁，堿式氯化鋁，陽離子聚丙烯酰胺；陰離子聚丙烯酰胺；其藥劑運(yùn)行單耗為0.90 元/噸水：(3)直接電費(fèi)：該鋰電工業(yè)廢水處理站的電氣設(shè)備總裝機(jī)容量為68.48kW；實(shí)際運(yùn)行中日電費(fèi)用量200kWh；其電費(fèi)運(yùn)行單耗0.36 元/噸水；(4)直接運(yùn)行成本=人力成本+藥劑成本+直接電費(fèi)=1.7 元/噸水。