新能源汽車動力電池生產(chǎn)廢水深度處理研究

收稿日期：2024-03-19

作者簡介：李元志（1988—），男，安徽宿州人，碩士，工程師。研究方向：污水、固廢處理。

摘要：混凝-低溫蒸發(fā)-高級氧化-混凝-水解酸化-兩級缺氧好氧（Anoxic Oxic，AO）法是一種新型組合工藝，可用于處理新能源汽車動力電池生產(chǎn)廢水。工程實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，出水化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）、總氮（Total Nitrogen，TN）和總磷（Total Phosphorus，TP）的平均濃度分別為85 mg/L、23.6 mg/L、0.95 mg/L，pH為7.2，水質(zhì)滿足《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 30484—2013）的新建企業(yè)水污染物間接排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

關(guān)鍵詞：動力電池生產(chǎn)廢水；深度處理；高級氧化；混凝；新能源汽車

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.051

Research on Advanced Treatment of Wastewater from the Production of Power Batteries for New Energy Vehicles

LI Yuanzhi1， LIU Jia2

（1. Beijing Mechanical Biological Treatment Engineer Co.， Ltd.， Beijing 100086， China;

2. Sinomach Tdi International Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100083， China）

Abstract： The coagulation - low temperature evaporation - advanced oxidation - coagulation - hydrolysis acidification - two stage Anoxic Oxic （AO） method is a new combination process that can be used to treat wastewater from the production of new energy vehicle power batteries. The actual operation results of the project show that the average concentrations of Chemical Oxygen Demand （COD）， Total Nitrogen （TN）， and Total Phosphorus （TP） in the effluent are 85 mg/L， 23.6 mg/L， and 0.95 mg/L， respectively， with a pH of 7.2， and the water quality meets the limit requirements of the indirect discharge standard for water pollutants from newly established enterprises in the Battery Industry Pollutant Discharge Standard

（GB 30484—2013）.

Keywords： wastewater from power battery production; advanced treatment; advanced oxidation; coagulation; new energy vehicles

隨著新能源汽車市場的迅猛發(fā)展，動力電池需求量急劇增加。電池生產(chǎn)廢水主要來源于電池制造過程，水量不大，但成分復(fù)雜，具有一定毒性，生化性較差。廢水既可能含有鋅、鐵和鎘等重金屬，還可能含有酸、堿和鹽等成分。鋰電池生產(chǎn)過程會產(chǎn)生含有鎳鈷錳酸鋰、N-甲基吡咯烷酮（N-Methylpyrrolidone，NMP）、聚偏氟乙烯黏結(jié)劑和石墨等物質(zhì)的廢水。這些廢水含有重金屬、有機(jī)物等有害物質(zhì)，對生態(tài)環(huán)境和動植物構(gòu)成威脅[1]。因此，如何有效處理這些廢水成為亟待解決的問題。對于鋰電池生產(chǎn)廢水，常用的處理方法有中和沉淀法、生物處理法、電析法、膜法、物理化學(xué)法、氧化分解法、電化學(xué)法、活性炭吸附法、反滲透法和蒸發(fā)法等。作為一種新型深度處理技術(shù)，混凝-低溫蒸發(fā)-高級氧化-混凝-水解酸化-兩級缺氧好氧（Anoxic Oxic，AO）法組合工藝可用于處理新能源汽車動力電池生產(chǎn)廢水。

1 項(xiàng)目概況

某新能源汽車項(xiàng)目動力電池生產(chǎn)廢水主要來源于電池生產(chǎn)車間，包括負(fù)極石墨廢水、電解液預(yù)處理廢水、鋁殼清洗廢水和NMP回收廢水等，合計(jì)350 m3/d，生活污水產(chǎn)生量為250 m3/d。各類廢水的水質(zhì)與水量如表1所示。主要水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)有化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、總磷（Total Phosphorus，TP）、氨氮（NH3-N）、pH、F-和總氮（Total Nitrogen，TN）。出水滿足《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 30484—2013）的新建企業(yè)水污染物排放限值要求。

2 工藝流程

首先利用廢水調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)石墨廢水的水量與水質(zhì)，然后通過混凝沉淀去除廢水中石墨粉、TP和膠體等污染物。出水進(jìn)行低溫蒸發(fā)，蒸發(fā)后母液作為危廢外運(yùn)處置。蒸餾冷凝液與電解液預(yù)處理廢水共同進(jìn)入廢水調(diào)節(jié)池，混合廢水進(jìn)行芬頓高級氧化，去除難降解有機(jī)污染物，然后進(jìn)入混凝反應(yīng)槽，在沉淀池進(jìn)行泥水分離。上清液進(jìn)入綜合廢水調(diào)節(jié)池，泥排入污泥儲池。本單元主要去除TP、COD等污染物[2]。

預(yù)處理后的混合廢水與鋁殼清洗廢水、NMP回收廢水一起排入綜合廢水調(diào)節(jié)池。綜合廢水調(diào)節(jié)池混合廢水先進(jìn)入混凝反應(yīng)槽，然后進(jìn)入沉淀池進(jìn)行泥水分離，泥排入污泥儲池，水進(jìn)入水解酸化池。本單元主要去除TP、COD等污染物。水解酸化池可利用細(xì)胞外酶將廢水中有機(jī)大分子物質(zhì)分解為小分子，這些小分子的水解產(chǎn)物能夠溶解于水并透過細(xì)胞膜為細(xì)菌所利用，可改善廢水的可生化性，為后續(xù)的好氧生化處理創(chuàng)造條件[1]。

水解酸化池出水與生活污水進(jìn)入?yún)捬醭?，之后?jīng)缺氧池進(jìn)入好氧池，最后在沉淀池進(jìn)行泥水分離。部分污泥回流至厭氧池進(jìn)行循環(huán)使用，部分排放至污泥儲池，上清液進(jìn)入清水池，達(dá)標(biāo)排放。好氧生化池利用微生物進(jìn)行生化反應(yīng)，去除主要污染物。本單元主要去除COD、氨氮、TN和TP等污染物?；炷恋砦锘勰?、剩余污泥統(tǒng)一排至污泥濃縮池，經(jīng)過重力濃縮后進(jìn)入隔膜壓濾機(jī)進(jìn)行脫水處理，泥餅作為危廢外運(yùn)處理。

3 主要構(gòu)筑物及設(shè)備參數(shù)

3.1 廢水調(diào)節(jié)池

廢水調(diào)節(jié)池用于收集廢水，調(diào)節(jié)水質(zhì)與水量。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長為30 m，寬為8 m，高為6 m，有效水深為5 m，有效容積為1 250 m3。根據(jù)不同污水來源設(shè)置隔斷，水力停留時(shí)間為48 h。

3.2 石墨混凝反應(yīng)池

石墨廢水主要污染物為石墨粉、F-和PO43-，向廢水中投加NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至8～9，再添加混凝劑聚合氯化鋁及助凝劑聚丙烯酰胺，廢水中氟化物和磷酸鹽與聚合氯化鋁電解產(chǎn)生的Al3+反應(yīng)，產(chǎn)生不溶于水的化合物，進(jìn)而從水中脫離，并在網(wǎng)捕集結(jié)作用下轉(zhuǎn)化成易沉淀的大絮體，之后通過沉淀池進(jìn)行沉淀分離，泥水分離。反應(yīng)池長為1.4 m，寬為1.4 m，高為1.1 m，有效容積為1.5 m3，水力停留時(shí)間為40 min，設(shè)置槳葉攪拌器3臺，NaOH、聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺加藥裝置各配備1套。

3.3 石墨豎流沉淀池

混凝反應(yīng)生成的絮凝體在重力作用下自然沉降，絮凝體沉降進(jìn)入池底錐形沉泥斗中，澄清水沿池周邊溢流堰流出，實(shí)現(xiàn)泥水分離。沉淀池直徑為1.0 m，高度為3.0 m，有效水深為2.6 m，水力停留時(shí)間為2.0 h。排泥泵配備2臺。

3.4 低溫蒸發(fā)設(shè)備

廢水進(jìn)入低溫蒸發(fā)器，蒸發(fā)溫度設(shè)定為35～40 ℃，壓縮機(jī)壓縮冷媒產(chǎn)生熱量，水分快速蒸發(fā)，同時(shí)冷媒通過膨脹閥汽化后吸收熱量制冷，蒸汽上升遇冷液液化進(jìn)入儲水罐，冷媒吸收熱量，通過壓縮機(jī)壓縮制熱，給廢水再加熱。蒸汽排出，經(jīng)降溫冷凝形成蒸餾水，濃水排入濃水桶委托外部單位處理?？扇コ蟛糠种亟饘?、有機(jī)物和無機(jī)鹽等污染物。設(shè)備長為4.0 m，寬為1.8 m，高為4.0 m，處理能力為10 m3/d。

3.5 芬頓反應(yīng)池

電解液預(yù)處理廢水主要污染物為碳酸酯、F-等，向廢水中投加HCL溶液調(diào)節(jié)pH至2～4，再添加過氧化氫及硫酸亞鐵產(chǎn)生羥基自由基，去除難降解有機(jī)污染物。設(shè)備長為3.0 m，寬為1.4 m，高為2.5 m，有效容積為8.0 m3，水力停留時(shí)間為2 h，設(shè)置槳葉攪拌器3臺，HCL、H2O2、FeSO4加藥裝置各配備1套。

3.6 電解液混凝反應(yīng)池

向廢水中投加NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至8～9，再添加聚合氯化鋁及聚丙烯酰胺，去除廢水中部分有機(jī)物、氟化物和磷鹽。反應(yīng)池長為2.2 m，寬為0.8 m，高為1.8 m，有效容積為2.6 m3，水力停留時(shí)間為40 min，設(shè)置槳葉攪拌器3臺，NaOH、聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺加藥裝置各配備1套。

3.7 電解液豎流沉淀池

沉淀池直徑為2.0 m，高度為4.5 m，有效水深為4.0 m，水力停留時(shí)間為2.0 h。排泥泵配備2臺。

3.8 綜合混凝反應(yīng)池

綜合廢水包含負(fù)極石墨廢水、電解液預(yù)處理廢水、鋁殼清洗廢水和NMP回收廢水，向混合廢水中投加NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至8～9，再添加聚合氯化鋁及聚丙烯酰胺，去處廢水中部分污染物。反應(yīng)池長為4.0 m，寬為1.6 m，高為2.5 m，有效容積為13.4 m3，水力停留時(shí)間為40 min，設(shè)置槳葉攪拌器3臺，NaOH、聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺加藥裝置各配備1套。

3.9 綜合斜管沉淀池

沉淀池長為3.8 m，寬為2.5 m，高為4.2 m，有效水深為3.0 m，水力停留時(shí)間為1.2 h。排泥泵配備2臺。

3.10 水解酸化池

池體長為14.0 m，寬為3.0 m，高為6.8 m，有效容積為250 m3，水力停留時(shí)間為14 h。

3.11 生化池

生化池采用兩級AO法，缺氧段溶解氧含量不大于0.2 mg/L，好氧段溶解氧含量為2～4 mg/L。缺氧段主要通過厭氧菌的作用，將污水中的大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物，同時(shí)釋放磷元素。在好氧段，好氧菌會吸收利用小分子有機(jī)物中的氧，將有機(jī)物氧化分解為二氧化碳和水，同時(shí)將磷元素轉(zhuǎn)化為富磷污泥。池體長為17.5 m，寬為4.0 m，高為6.8 m，共有4座，總有效容積為1 680 m3，總水力停留時(shí)間為67 h。

3.12 二沉池

對剩余污泥進(jìn)行儲存，并回流至厭氧池前端，保證生化池污泥濃度。二沉池出水靠重力流入清水池，經(jīng)巴氏計(jì)量槽達(dá)標(biāo)排放。池體長為17.5 m，寬為3.0 m，高為4.0 m，共有4座，有效容積為180 m3，水力停留時(shí)間為6 h。

4 技術(shù)分析

深度處理前后的進(jìn)出水指標(biāo)如表2所示，出水滿足《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 30484—2013）的新建企業(yè)水污染物排放限值要求。進(jìn)出水COD平均濃度分別為3 683 mg/L、85 mg/L，COD平均去除率為97.69%。進(jìn)出水TP平均濃度分別為35.20 mg/L、0.95 mg/L，TP平均去除率為97.31%。進(jìn)出水TN平均濃度分別為127.8 mg/L、23.6 mg/L，TN平均去除率為81.53%。

5 結(jié)論

針對新能源汽車動力電池生產(chǎn)廢水，采用混凝-低溫蒸發(fā)-高級氧化-混凝-水解酸化-兩級AO法組合工藝進(jìn)行處理，最終出水水質(zhì)滿足《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 30484—2013）的新建企業(yè)水污染物間接排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求。實(shí)踐結(jié)果表明，該組合工藝處理效果良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定，取得較好的環(huán)境效益及社會效益，對新能源汽車動力電池生產(chǎn)行業(yè)的廢水處理有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

1 郭富成，李瀚翔，張黎明，等.鋰電池生產(chǎn)廢水處理站提標(biāo)改造工程[J].中國給水排水，2016（10）：111-115.

2 王鐵軍，李夢軻，沈連峰.一種鋰離子電池生產(chǎn)廢水處理工藝效果研究[J].水處理技術(shù)，2019（7）：125-127.