隨著工業(yè)化不斷的進展,全球性能源短缺問題日益嚴峻,如何開發(fā)和利用新型能源是現(xiàn)階段工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵,鋰電池已經(jīng)成為新能源開發(fā)的重點項目,鋰電池作為一種新興能源產(chǎn)業(yè),其發(fā)展速度之快,應(yīng)用領(lǐng)域之廣,完全顛覆了人們對新能源的傳統(tǒng)認識,我國鋰電池的產(chǎn)能和應(yīng)用領(lǐng)域已居全球第一。鋰電池電芯和模組產(chǎn)生的廢水,由于其成份復(fù)雜(有:NMP(N-甲基吡咯烷酮)、小分子有機物酯類、鈷酸鋰、鎳、錳金屬離子等污染物)、可生化性差,屬于高濃度難降解的有機廢水,目前缺乏成熟有效的處理工藝,導(dǎo)致廢水無法達標(biāo)排放。
福建某一鋰電池電芯和模組生產(chǎn)新建企業(yè),年產(chǎn)16GWH鋰電池電芯和模組。針對廢水的特性,采用預(yù)處理+UBF+A/O+混凝沉淀+MBR組合工藝,通過分析廢水的特點及處理工藝單元流程,并探討處理工藝整體的運行效果,為處理同類型的廢水提供一定經(jīng)驗借鑒。
1、工藝設(shè)計
1.1 廢水的水質(zhì)水量
廢水處理能力為70t/d(其中:正極廢水:30t/d,負極廢水:40t/d),設(shè)計廢水進水水質(zhì)指標(biāo)如表1和表2所示。
1.2 廢水特點
①正極廢水主要特征污染物為:鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料(鈷、鎳、錳)、N甲基吡咯烷酮、微量六氟磷酸鋰等;其表征污染物為COD、金屬離子(鈷、鎳、錳)、總氮和SS等。
②負極廢水主要污染物為:石墨、N甲基吡咯烷酮、高濃度鹽水等;表征污染物為COD、總氮和SS等。
2、處理工藝
2.1 處理工藝的選擇
污水處理工藝的選擇應(yīng)綜合考慮處理單元工藝組合的技術(shù)可行、運行管理費用、出水水質(zhì)要求、操作管理難易、占地面積的大小等多種因素。
針對鋰電池正負極廢水的水質(zhì)特點,根據(jù)微波氧化預(yù)處理的實際工程案例經(jīng)驗,設(shè)計廢水處理工藝如圖1所示。
2.2 處理工藝單元說明
2.2.1 預(yù)處理系統(tǒng)
2.2.1.1 正極廢水預(yù)處理
正極廢水自流到正極廢水調(diào)節(jié)池,提升到預(yù)處理反應(yīng)池,將PH值控制在酸性條件下,開始催化氧化反應(yīng),分解難降解有機物,出水的PH值控制10左右,加PAC、PAM混凝沉淀(重金屬離子與OH形成難溶氫氧化物,沉淀去除),此處可沉淀部分磷酸根,出水自流到綜合調(diào)節(jié)池。
2.2.1.2 負極廢水預(yù)處理
負極廢水自流負極廢水調(diào)節(jié)池,水質(zhì)調(diào)節(jié)后提升至混凝沉淀池,控制PH值在弱堿條件下,通過投加PAC、PAM進行混凝反應(yīng),大部分懸浮物被沉淀去除,出水到綜合調(diào)節(jié)池。
綜合調(diào)節(jié)池應(yīng)曝氣或者攪拌,確保水質(zhì)和濃度均衡;經(jīng)過預(yù)處理后的水質(zhì)污染物指標(biāo)如下:CODcr=3600mg/L,BOD5=1200mg/L,氨氮=54mg/L,SS=330mg/L,總鈷=0.02mg/L,總鎳=0.02mg/L和總錳=0.02mg/L。
2.2.2 厭氧生物處理
經(jīng)氧化后廢水的B/C>0.3,且預(yù)處理出水的CODCr有3600mg/L,因此厭氧用UBF的工藝,即將UASB與AF(厭氧濾池)結(jié)合,UBF工藝用于難生化降解的有機廢水處理的效果較好,能在低能耗的狀態(tài)下去除大部分的CODcr和BOD5,有利于后續(xù)好氧生物處理。
2.2.3 缺氧-好氧生物處理
2.2.3.1 (A/O)工藝
根據(jù)鋰電電芯和模組廢水的特點,生物脫氮的處理工藝選用缺氧/好氧(A/O)工藝,該工藝分為缺氧階段、好氧階段。通過缺氧和好氧交替變化的生物環(huán)境完成脫氮反應(yīng)過程,即硝化與反硝化過程。
硝化反應(yīng):在好氧條件下,通過亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌的作用,污水中的氨氮氧化成硝酸鹽,回流缺氧池,為反硝化的脫氮做好準備。
反硝化反應(yīng):在缺氧條件下,由于兼性脫氮菌利用硝酸鹽中的氧作為電子受體,有機物被氧化穩(wěn)定。即NO2--N和NO3--N還原成N2的過程,稱為反硝化反應(yīng)。
具體的原理如圖2所示。
2.2.3.2 MBR工藝
MBR工藝即膜生物反應(yīng)器,選用過濾孔徑為0.02μm平板膜,具有以下主要特點:
①由于過濾孔徑為0.02μm,因此分離效果非常好,出水水質(zhì)澄清透亮(懸浮物不超過5mg/L)。
②利用超小孔徑截留作用,將微生物菌落留在反應(yīng)器中,確保了其水力停留時間(HRT)和污泥齡(SRT)的完全分離,使得處理工藝更加靈活穩(wěn)定。
③膜分離使得大分子的污染物截留在有限的反應(yīng)器空間中,延長了反應(yīng)時間,大大提高了降解效果,降低了占地面積。
2.2.4 污泥處理
由于鋰電池電芯的正極廢水中含有鈷鎳錳等金屬離子,因此,正極廢水混凝沉淀后的污泥屬于危險廢物,該污泥必須利用單獨板框壓濾機進行脫水處理。
系統(tǒng)中的其他污泥(負極廢水沉淀污泥、好氧生物處理的剩余污泥)污泥濃縮池,經(jīng)板框壓濾機脫水后外運。
3、運行狀況分析
3.1 運行費用分析
廢水處理規(guī)模按70t/d設(shè)計,經(jīng)調(diào)試穩(wěn)定后統(tǒng)計,電費和藥劑費用分別為:2.30元和3.20元,合計廢水處理的直接運行成本5.50元/噸廢水。
3.2 運行效果分析
經(jīng)檢測,出水污染物排放指標(biāo)如下表3。
出水指標(biāo)滿足《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準》表2中直接排放標(biāo)準的要求。
4、結(jié)論及建議
(1)工程表明,采用預(yù)處理+UBF+A/O+MBR組合工藝可有效處理鋰電池電芯和模組生產(chǎn)廢水,出水水質(zhì)穩(wěn)定且完全滿足排放要求。
(2)該處理工藝的廢水處理運行成本(電費和藥劑費用)約為5.50元/噸廢水。
(3)本項目的處理工藝的思路,可以為日后的同類型廢水處理提供借鑒。(來源:福州宇澄環(huán)保工程設(shè)計有限公司)