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在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，鋰電池因其安全性高、比容量大、自放電率好等性能，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。鋰電池作為一種清潔能源存儲(chǔ)設(shè)備，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊环N重要產(chǎn)品，但在生產(chǎn)鋰電池的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的廢水，主要分為陰極廢水及陽(yáng)極廢水，陰極廢水中含有重金屬鈷、鎳、錳、甲基吡咯烷酮等污染物，陽(yáng)極廢水主要污染物質(zhì)有石墨、導(dǎo)電碳、SBR聚苯橡膠、有機(jī)溶劑、銅箔等。陰極廢水和陽(yáng)極廢水有機(jī)物濃度高，且含有不易生化降解的大分子有機(jī)物，可生化性較差，屬高濃度難降解有機(jī)廢水。在當(dāng)前碳達(dá)峰碳中和雙碳經(jīng)濟(jì)背景下，對(duì)該類廢水采用節(jié)能環(huán)保的措施進(jìn)行有效治理，成為企業(yè)生存發(fā)展的迫切任務(wù)。

1、項(xiàng)目介紹

1.1 水量水質(zhì)

該廢水的水質(zhì)特征是有機(jī)污染物種類繁多，水質(zhì)復(fù)雜。陰極廢水中含有第一類污染物鎳，總氮和氨氮較高，可生化性較差，一般B/C=0.20~0.25，其主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理水量：陽(yáng)極廢水700m3/d，陰極廢水300m3/d。實(shí)際水量：陽(yáng)極廢水600m3/d，陰極廢水300m3/d。

出水滿足《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB30484—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所示。

1.2 工藝流程

鋰電池生產(chǎn)廢水工藝流程見(jiàn)圖1。陰極廢水通過(guò)收集管道流入調(diào)節(jié)池1，經(jīng)調(diào)節(jié)池1調(diào)節(jié)水質(zhì)水量，提升泵加壓至混凝沉淀系統(tǒng)，經(jīng)加藥去除重金屬后匯入綜合調(diào)節(jié)池，與陽(yáng)極廢水混合后，加壓至電Fenton系統(tǒng)，經(jīng)電Fenton去除部分有機(jī)物，出水經(jīng)加藥沉淀和管式微濾膜（DF膜），去除廢水中的細(xì)小懸浮物及其他污染物后進(jìn)入?yún)捬踹M(jìn)水池，厭氧系統(tǒng)采用升流式厭氧污泥床（UASB），利用培養(yǎng)的厭氧污泥，分解廢水中的有機(jī)污染物。在UASB反應(yīng)池上部設(shè)置三相分離器，通過(guò)三相分離器，固、液、氣三相得到分離，甲烷由收集器收集排出，處理水則經(jīng)由溢流渠收集排出。厭氧出水進(jìn)入?yún)捬醭恋沓?、缺氧池及好氧池，部分好氧混合液回流至缺氧池，?jīng)缺氧和好氧處理后能有效去除COD和氨氮。經(jīng)過(guò)生化沉淀池泥水分離，上清液達(dá)標(biāo)排放，污泥經(jīng)濃縮壓濾脫水后委外處置。

1.3 主要構(gòu)筑物和工藝參數(shù)

1）調(diào)節(jié)池1，用于收集陰極廢水，達(dá)到對(duì)廢水均質(zhì)均量的目的。調(diào)節(jié)池1工藝尺寸為12m×6m×5.5m，有效容積V=360m3，水力停留時(shí)間28.8h，調(diào)節(jié)池1設(shè)提升泵2臺(tái)（1用1備）。

2）混凝沉淀池1，用于陰極廢水預(yù)處理，將重金屬鎳處理到0.5mg/L以下。該處理系統(tǒng)由3座反應(yīng)池和1座沉淀池組成，單座混凝反應(yīng)池工藝尺寸為2m×2m×4m，混凝反應(yīng)池設(shè)置機(jī)械攪拌機(jī)和加藥泵，分別投加NaOH、PAC、PAM和重捕劑。沉淀池工藝尺寸為6m×3m×4m，采用斜板沉淀池形式，表面負(fù)荷為0.69m3（/m2·h），沉淀池設(shè)排泥泵2臺(tái)（1用1備）。

3）綜合廢水調(diào)節(jié)池，用于收集預(yù)處理后的陰極廢水和陽(yáng)極廢水，達(dá)到對(duì)廢水均質(zhì)均量的目的。綜合廢水調(diào)節(jié)池工藝尺寸為20m×10m×5.5m，有效容積V=1000m3，水力停留時(shí)間24h，綜合調(diào)節(jié)池設(shè)提升泵2臺(tái)（1用1備）。

4）電Fenton反應(yīng)器，用于催化降解難處理有機(jī)物，提高廢水可生化性。設(shè)有1套電Fenton催化器，工藝尺寸為4m×2.5m×4.5m，配直流電源。

5）混凝沉淀池2，主要由3座混凝反應(yīng)池和1座沉淀池組成，單座混凝反應(yīng)池工藝尺寸為3m×3m×5m，設(shè)置機(jī)械攪拌機(jī)和加藥泵，分別投加NaOH、PAC和PAM。沉淀池工藝尺寸為9m×6m×5m，采用斜板沉淀池形式，表面負(fù)荷為0.77m3（/m2·h），沉淀池設(shè)排泥泵2臺(tái)（1用1備）。

6）管式超濾膜系統(tǒng)（DF膜），主要由美國(guó)POREX膜組件、膜機(jī)架、膜進(jìn)水泵（型號(hào)CR90-3-2，Q=74m3/h，揚(yáng)程40m，功率18.5kW）、PLC自控系統(tǒng)以及相應(yīng)清洗加藥系統(tǒng)組成。管式超濾膜組件型號(hào)為MME2S01637VP，材質(zhì)為PVDF，膜孔徑為0.02~0.05μm，膜通量為250~450L/（m2·h），48支，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為37.5m3/h，24h連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)出水流量下降到36m3/h以下時(shí)，用10%的NaClO對(duì)膜系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)清洗，以恢復(fù)膜通量，清洗頻率為1次/周。該系統(tǒng)不需沉淀和預(yù)過(guò)濾，可直接進(jìn)行過(guò)濾實(shí)現(xiàn)固液分離，水中污染物不需沉淀就能有效去除，且DF膜化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，耐受強(qiáng)酸強(qiáng)堿和強(qiáng)氧化性化學(xué)物質(zhì)。

7）厭氧反應(yīng)器，采用UASB進(jìn)行厭氧處理，由污泥床、污泥懸浮層、沉淀區(qū)、三相分離器及進(jìn)出水系統(tǒng)等各功能部分組成，可去除60%~70%左右的有機(jī)物。2座反應(yīng)器有效容積為1413m3，工藝尺寸為D10m×12m，水力停留時(shí)間33.9h，容積負(fù)荷（以CODCr計(jì)）2.3kg/（m3·d）。

8）厭氧沉淀池，經(jīng)過(guò)厭氧反應(yīng)后的廢水進(jìn)入該池，以達(dá)到泥水分離的目的。工藝尺寸為D8.5m×5m，采用輻流沉淀池形式，設(shè)刮泥機(jī)1臺(tái)，表面負(fù)荷為0.73m3（/m2·h），有效容積V=255.2m3。設(shè)污泥回流泵2臺(tái)（1用1備），當(dāng)UASB出水跑泥時(shí)開(kāi)啟污泥回流泵。

9）缺氧池，設(shè)置高效脫氮填料，進(jìn)行反硝化反應(yīng)，提高脫氮效率。缺氧池尺寸為10m×6m×5.5m，有效容積300m3，水力停留時(shí)間7.2h。設(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī)2臺(tái)。

10）好氧池，經(jīng)過(guò)缺氧處理后的廢水進(jìn)入好氧池，消化液回流比為100%~150%。工藝尺寸為20m×10m×5.5m，有效容積V=1000m3，水力停留時(shí)間24h。設(shè)磁懸浮風(fēng)機(jī)2臺(tái)（1用1備），Q=16m3/min，揚(yáng)程6m，N=55kW，具有低耗能、低噪音、長(zhǎng)壽命、零摩擦、免維修和易安裝的優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)羅茨風(fēng)機(jī)節(jié)能30%~40%。

11）沉淀池，經(jīng)過(guò)好氧反應(yīng)后的廢水進(jìn)入該池，以達(dá)到泥水分離的目的。采用輻流沉淀池形式，工藝尺寸為D8.5m×5m，表面負(fù)荷為0.73m3（/m2·h），有效容積V=255.2m3。設(shè)刮泥機(jī)1臺(tái)。

2、處理效果、工程投資和運(yùn)行成本分析

2.1 各單元處理效果

陰極廢水經(jīng)混凝沉淀預(yù)處理后和陽(yáng)極廢水合并處理，采用電Fenton-混凝反應(yīng)-DF-厭氧反應(yīng)器-AO組合工藝進(jìn)行處理，20d平均運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，運(yùn)行效果如圖2所示。

從表4中可以看出，混凝沉淀對(duì)鎳的去除效果較好，當(dāng)陰極廢水進(jìn)水中Ni2+為2.3~2.9mg/L時(shí)，在混凝沉淀池投加NaOH調(diào)節(jié)pH至弱堿性，Ni2+可與OH反應(yīng)生成Ni（OH）2沉淀，并且投加適量的PAC、PAM和重捕劑，加快鎳的沉淀，經(jīng)混凝沉淀后出水Ni2+為0.1~0.3mg/L，去除率達(dá)到89.3%。

從圖2可以看出，電Fenton對(duì)CODCr的去除率較高，達(dá)到了35.0%，且提高了廢水的可生化性，廢水的B/C從0.22提高到了0.31。電Fenton工藝克服了傳統(tǒng)Fenton法中有機(jī)物的降解速率不均勻的現(xiàn)象，保證反應(yīng)持續(xù)高效進(jìn)行，該設(shè)備通過(guò)陰極還原溶解氧，原位生成的H2O2在溶液中Fe2+的催化作用下，產(chǎn)生羥基自由基來(lái)降解有機(jī)物，電Fenton的降解原理：（a）H2O2的產(chǎn)生，在酸性電解液中，溶解氧在陰極被還原，持續(xù)地產(chǎn)生H2O2，如式（1）所示；（b）H2O2的活化，溶解態(tài)的Fe2+與H2O2反應(yīng)生成·OH，同時(shí)得到Fe3+，如式（2）所示；（c）污染物降解，生成的·OH具有高氧化還原電位（可達(dá)到2.8eV），氧化能力較強(qiáng)，可將大部分污染物降解為小分子有機(jī)物提升廢水的可生化性，一部分降解為CO2、H2O和其他無(wú)機(jī)離子，如式（3）和式（4）所示。

混凝反應(yīng)-DF膜出水對(duì)SS的去除率很高，達(dá)到99.7%，這是因?yàn)镻AC和PAM加入廢水中，便會(huì)產(chǎn)生壓縮雙電層，使廢水中的懸浮微粒失去穩(wěn)定性，膠粒物相互凝聚使微粒增大，形成絮凝體，絮凝體長(zhǎng)大到一定體積后即在重力作用下脫離水相沉淀，從而去除廢水中的大量懸浮物；管式超濾膜組件（DF膜）孔徑為0.02~0.05μm，其原理是利用濾膜具有的微孔結(jié)構(gòu)，將懸浮物截留在濾膜一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮物的去除。

UASB-AO生化工藝對(duì)CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP的去除率較高，分別達(dá)到了97.5%、97.1%、92.7%、80.0%和77.5%，這是因?yàn)樵诤醚鯒l件下，氨氮首先通過(guò)硝化作用被氧化為亞硝酸鹽或硝酸鹽，然后再通過(guò)反硝化作用被還原為氮?dú)?，從而將氮?dú)忉尫诺酱髿庵校_(dá)到脫氮的效果。在厭氧條件下，聚磷菌釋放磷并吸收易降解的有機(jī)物；在好氧條件下，聚磷菌超量吸收磷，最終通過(guò)排放含有大量富磷的污泥來(lái)實(shí)現(xiàn)生化除磷。在厭氧環(huán)境下，首先是大分子有機(jī)物通過(guò)水解反應(yīng)被分解為小分子；接著通過(guò)酸化反應(yīng)進(jìn)一步分解為簡(jiǎn)單的化合物；然后是產(chǎn)乙酸反應(yīng)，將這些簡(jiǎn)單的化合物轉(zhuǎn)化為乙酸等；最后是產(chǎn)甲烷反應(yīng)，將乙酸等轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。在好氧環(huán)境下，經(jīng)前道厭氧預(yù)處理后，廢水的可生化性大大提高，有機(jī)物被好氧微生物分解成二氧化碳、水及其他小分子物質(zhì)而得到去除。

電Fenton-混凝反應(yīng)-DF-厭氧反應(yīng)器-AO組合工藝處理鋰電池生產(chǎn)綜合廢水，對(duì)CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP和SS的去除率分別達(dá)到98.7%、97.6%、94.9%、84.5%、93.6%和98.5%，出水水質(zhì)可達(dá)到GB3084—2013表2新建企業(yè)水污染物排放限值間接排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 工程投資分析

本項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)處理水量為1000m3/d，投資共計(jì)866萬(wàn)元，其中土建投資435萬(wàn)元，設(shè)備投資431萬(wàn)元。

2.3 運(yùn)行成本分析

1）電費(fèi)。

裝機(jī)總功率309kW，實(shí)際運(yùn)行功率221kW，功率系數(shù)取0.8，電價(jià)按0.7元（/kW·h）計(jì)，合計(jì)221×24×0.8=4243.2kW·h，則日耗電費(fèi)為2970.2元，實(shí)際水量為900m3/d，折合噸水費(fèi)用3.30元。

2）藥劑費(fèi)。

藥劑費(fèi)詳見(jiàn)表5。

3）人工費(fèi)。

采用3班制，每班2人，共6人；人均工資以5000元/月計(jì)，則每天人工管理費(fèi)為1000元，折合噸水處理費(fèi)為1.11元。

4）污泥處置費(fèi)。

每天產(chǎn)生含水率75%的脫水污泥600kg，每t污泥處置費(fèi)3000元，折合噸水處理費(fèi)為2.00元。

5）運(yùn)行總費(fèi)用。

運(yùn)行總費(fèi)用=電費(fèi)+藥劑費(fèi)+人工費(fèi)+污泥處置費(fèi)=3.30+1.07+1.11+2.00=7.48元/m3。

3、結(jié)論

1）陰極廢水經(jīng)混凝沉淀去除重金屬后和陽(yáng)極廢水合并，采用電Fenton-混凝反應(yīng)-DF-厭氧反應(yīng)器-AO組合工藝進(jìn)行處理，出水水質(zhì)可以達(dá)到GB30484—2013表2新建企業(yè)水污染物排放限值間接排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）采用電Fenton-混凝反應(yīng)-DF-厭氧反應(yīng)器-AO組合工藝對(duì)鋰電池生產(chǎn)廢水中的污染物有較高的去除率，對(duì)Ni2+、CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP和SS的去除率分別達(dá)到了89.3%、98.7%、97.6%、94.9%、84.5%、93.6%和98.5%。

3）本項(xiàng)目工程投資共計(jì)866萬(wàn)元，其中土建投資435萬(wàn)元，設(shè)備投資431萬(wàn)元，運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)和污泥處置費(fèi)，合計(jì)為7.48元/m3。