1种锂离子电池生产废水处理工艺效果研究

摘 要： 针对锂离子电池生产废水的特点，采用“混凝沉淀+缺氧 +MBR+ 消毒”的工艺进行处理。实际运行效果表明，出水 COD 为 20 mg/L，NH 3 -N、SS、TP 的质量浓度分别为 3、2.6、0.03 mg/L，达到 GB/T 18920－2002 中的水质指标。该工艺处理效果优良，系统运行稳定，耐冲击负荷，运行费用较低，按处理规模 274 m 3 /d 计，运行成本为 1.12 元 /m 3 。
某电池生产企业，年产 1.168 GAh 锂离子电池，产品主要应用于高端数码电池、笔记本电池、动力汽车和储能等领域。
目前废水主要来自车间负极制浆涂布生产工序产生的负极料桶清洗废水、装配工序产生的电芯外壳清洗废水、污染较轻的清洁废水及厂区员工的生活污水等。污水中主要污染因素是 pH、COD、SS、NH 3 -N、TP、氟化物等。
1 废水水质水量
生产生活废水总排水量为 274 m 3 /d，其中各类水质水量及排放情况见表 1。
考虑到水量的波动变化，生化系统设计水量按10 m 3 /h 设计，过滤消毒水量按 15 m 3 /h 设计。处理后废水厂区内回用，回用于绿化、冲厕等，不外排。因此污水处理站出水需满足 GB/T 18920－2002 的水质要求 [1] 。
2 处理工艺流程
锂电池生产过程中排出的清洗废水量很少，约占总废水量的 5%，主要污染物为 COD、SS、NH 3 -N、氟化物、磷等，氟化物、磷酸盐可通过与铝离子反应生成难溶性物质，再同大部分 SS 一起在聚合氯化铝（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）的共同作用下发生混凝沉淀得以去除。COD、NH 3 -N 则与生活污水一样通过微生物的生化反应去除。
预处理后的清洗废水和生活污水混合后，其水质可按照一般的生活污水考虑。为达到出水回用条件，综合考虑各种处理方法的优缺点，决定采用能效脱氮的 A/O 工艺，其中 O 段采用 MBR 法。废水处理工艺流程如图 1 所示。
清洗废水自流入清洗废水池，通过鼓风曝气搅拌混合调节水质水量，之后废水提升至混凝反应池，向废水中投加混凝剂 PAC 和助凝剂 PAM，在搅拌机作用下 F - 及磷酸盐和废水中 Al 3+ 反应生成不溶性沉淀物氟化铝、磷酸铝，废水中的细小悬浮物混凝聚集成较大的絮凝体 [2] ；絮凝体由中心管自上而下流入竖流沉淀池，喇叭口及反射板使水流折向上流后上清液自流至调节池，大颗粒絮凝体则在重力作用下相互接触碰撞，加快沉淀至污泥斗内，通过污泥泵定期排至污泥浓缩池。由于清洗废水每天产生量约 12m 3 ，故只需每天开启清洗水池提升泵 1 次，每次 1 h的运行时间即可把当天的生产废水处理完毕。
生活污水经格栅去除污水中颗粒较大的 SS、飘浮物和固体颗粒物质后进入调节池。调节池底部通过曝气管道曝气搅拌均化水质水量。混合均匀后废水经泵提升至缺氧池，由硬聚氯乙烯（UPVC）穿孔管均匀布水，与 MBR 池回流的硝化废水充分混合，在缺氧条件下，池内反硝化菌将废水中硝酸盐、亚硝酸盐转化成氮气，同时还能将部分大分子有机物分解为易降解的小分子有机物 [3] 。缺氧池出水进入 MBR池。MBR 池是生化系统的重要组成部分，主要通过好氧细菌在大量充氧的情况下，起生化作用，分解水中大部分有机物，降低水中的 COD 和 BOD，将 NH 3 -N 转化为硝态氮和亚硝态氮 [4] 。MBR 膜利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物截留住，省掉二沉池。因此，活性污泥含量可以大大提高，水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）可以分别控制，而难降解的物质在反应器中不断反应和降解。产生的污泥经污泥浓缩池浓缩后由厢压滤机压滤，滤饼定期外运，滤液回流至调节池重新处理。MBR 池出水和清洁废水均进入消毒回用水池，在回用水池内投加二氧化氯消毒后回用。
3 主要构筑物及设备参数
1）清洗废水池。用于收集储存负极料桶清洗废水和电芯外壳清洗废水；该池主要储存的污水呈弱酸性，应做好防腐处理，故采用内衬玻璃钢防腐。工艺尺寸 （l×b×h）3.10 m×2.70 m×4.20 m，有效水深3.00 m，有效容积 25.0 m3，停留时间 48.0 h；设废水提升泵 2 台，电磁流量计 1 台，超声波液位计 1 台。
2）混凝反应池。向废水中添加混凝剂 PAC 及助凝剂 PAM，在二者的共同作用下将废水中悬浮颗粒物及胶体等物质网捕集结，形成大的矾花以便在竖流沉淀池内重力沉淀，泥水分离。同时废水中氟化物和磷盐与 PAC 电解产生的 Al 3+ 反应，生产氟化铝及磷酸铝盐沉淀，进而从水中脱离。l×b×h 为 2.7 m×1.0 m×2.5 m，有效容积 6.0 m 3 ，停留时间 0.5 h；设桨式搅拌装置 1 台，PAC 加药装置 1 套、PAM 加药装置 1 套。
3）竖流沉淀池。混凝反应生成的絮凝体在重力作用下自然沉降,实现泥水分离。l×b×h 为 3.3 m×2.7m×6.0 m，有效水深 3.0 m，停留时间 3.0 h；设污泥泵1 台。
4）格栅槽。主要用于处理生活污水中颗粒较大的悬浮物、飘浮物、纤维物质和固体颗粒物质，从而保证后续构筑物的正常运行，减轻后续构筑物的处理负荷。l×b×h 为 2.25 m×0.85 m×1.50 m，栅前水深0.50 m；设机械格栅 1 台。
5）调节池。清洗废水和生活污水汇集在调节池内，对废水的水质和水量进行调节均化，同时，在调节池池内曝气搅拌装置，防止污染物在池底沉积。l×b×h 为 7.4 m×3.9 m×4.2 m，有效水深 3.0 m，有效容积 86.0 m 3 ，停留时间 8.0 h；设曝气搅拌装置 1 套，废水提升泵 2 台，电磁流量计 1 台，超声波液位计 1 台。
6）缺氧池。缺氧条件下，进水与 MBR 池回流水混合，在反硝化菌作用下废水中硝基氮转化为氮气排至空气中，实现脱氮的目的。l×b×h 为 6.6m×2.4m×4.5 m，有效水深 4.0 m，有效容积 63.0 m 3 ，停留时间6.0 h；设布水系统 1 套，潜水搅拌机 1 台。
7）MBR 池。MBR 是一种将膜分离技术与传统生物处理工艺有机结合的新型高效污水处理与回用工艺。该工艺以膜组件代替传统污水生物处理工艺中的二次沉淀池，通过膜组件的高效截流作用使得泥水彻底分离。l×b×h 为 5.0 m×4.8 m×4.5 m，有效水深 4.0 m，有效容积 96.0 m 3 ，停留时间 10.0 h；设PVDF 帘式膜组件 4 套，产水泵 2 台，反洗泵 1 台，回流泵 2 台，在线清洗装置 1 套，曝气系统 1 套。
8）消毒回用水池。储存 MBR 池出水及车间排出的清洁废水，并投加二氧化氯消毒，为后续中水回用提供稳定水源。l×b×h 为 4.0 m×4.0 m×2.0 m，有效水深 1.5 m，有效容积 24.0 m 3 ，停留时间 1.5 h；设二氧化氯发生器 1 套，废水提升泵 2 台，电磁流量计 1台，超声波液位计 1 台。
9）污泥浓缩池。储存浓缩混凝沉淀池污泥及生化系统排出的剩余污泥；浓缩后污泥进行污泥脱水，上清液回调节池重新处理。l×b×h 为 4.0 m×4.0 m×4.5 m，有效水深 4.0 m，有效容积 64.0 m 3 ；设污泥螺杆泵 2 台，PAM 加药装置 1 套，厢式压滤机 1 台。
4 运行效果与技术经济分析
该工程于 2014 年 7 月动工，2014 年 11 月开始调试，调试期 90 d，现已成功稳定运行 3 年多，废水处理效果良好，平均进出水的处理效果监测数据见表 2。处理后的废水达到中水回用标准。 由表 2 可知，采用“混凝沉淀 + 缺氧 +MBR+ 消毒”工艺处理后，COD、NH 3 -N、SS、TP 的平均去除率分别达到 95%、90%、99%、99%，处理效果很好，完全达到 GB/T 18920－2002 中水回用水质标准。该工程运行的主要费用包括人工费、电费、药剂费等，按处理规模 274 m 3 /d 计，运行成本为 1.12 元 /m 3 ，见表 3。 5 结 论
针对锂离子电池生产过程产生的类似废水，采用“混凝沉淀 + 缺氧 +MBR+ 消毒”的主体处理工艺，最终出水水质明显优于 GB/T 18920－2002 中的水质标准，完全达到中水回用水质要求。
系统全部采用 PLC 编程控制，自动化程度高、操作简单，管理方便。
经实践检验，本工程技术路线可行，处理工艺先进，设备配置合理，整个处理系统具有较大适应性、实用性和先进性，以满足水量水质变化要求，保证出水达标回用，取得了较好的环境效益，对锂离子电池生产行业的废水处理问题具有一定的参考价值。