锂电池电芯和模组生产废水处理技术

发布时间:2024-2-1 15:14:30

随着工业化不断的进展,全球性能源短缺问题日益严峻,如何开发和利用新型能源是现阶段工业发展的关键,锂电池已经成为新能源开发的重点项目,锂电池作为一种新兴能源产业,其发展速度之快,应用领域之广,完全颠覆了人们对新能源的传统认识,我国锂电池的产能和应用领域已居全球第一。锂电池电芯和模组产生的废水,由于其成份复杂(有:NMPN-甲基吡咯烷酮)、小分子有机物酯类、钴酸锂、镍、锰金属离子等污染物)、可生化性差,属于高浓度难降解的有机废水,目前缺乏成熟有效的处理工艺,导致废水无法达标排放。

福建某一锂电池电芯和模组生产新建企业,年产16GWH锂电池电芯和模组。针对废水的特性,采用预处理+UBF+A/O+混凝沉淀+MBR组合工艺,通过分析废水的特点及处理工艺单元流程,并探讨处理工艺整体的运行效果,为处理同类型的废水提供一定经验借鉴。

1、工艺设计

1.1 废水的水质水量

废水处理能力为70t/d(其中:正极废水:30t/d,负极废水:40t/d),设计废水进水水质指标如表1和表2所示。

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1.2 废水特点

①正极废水主要特征污染物为:钴酸锂、磷酸铁锂、三元材料(钴、镍、锰)、N甲基吡咯烷酮、微量六氟磷酸锂等;其表征污染物为COD、金属离子(钴、镍、锰)、总氮和SS等。

②负极废水主要污染物为:石墨、N甲基吡咯烷酮、高浓度盐水等;表征污染物为COD、总氮和SS等。

2、处理工艺

2.1 处理工艺的选择

污水处理工艺的选择应综合考虑处理单元工艺组合的技术可行、运行管理费用、出水水质要求、操作管理难易、占地面积的大小等多种因素。

针对锂电池正负极废水的水质特点,根据微波氧化预处理的实际工程案例经验,设计废水处理工艺如图1所示。

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2.2 处理工艺单元说明

2.2.1 预处理系统

2.2.1.1 正极废水预处理

正极废水自流到正极废水调节池,提升到预处理反应池,将PH值控制在酸性条件下,开始催化氧化反应,分解难降解有机物,出水的PH值控制10左右,加PACPAM混凝沉淀(重金属离子与OH形成难溶氢氧化物,沉淀去除),此处可沉淀部分磷酸根,出水自流到综合调节池。

2.2.1.2 负极废水预处理

负极废水自流负极废水调节池,水质调节后提升至混凝沉淀池,控制PH值在弱碱条件下,通过投加PACPAM进行混凝反应,大部分悬浮物被沉淀去除,出水到综合调节池。

综合调节池应曝气或者搅拌,确保水质和浓度均衡;经过预处理后的水质污染物指标如下:CODcr=3600mg/LBOD5=1200mg/L,氨氮=54mg/LSS=330mg/L,总钴=0.02mg/L,总镍=0.02mg/L和总锰=0.02mg/L

2.2.2 厌氧生物处理

经氧化后废水的B/C0.3,且预处理出水的CODCr3600mg/L,因此厌氧用UBF的工艺,即将UASBAF(厌氧滤池)结合,UBF工艺用于难生化降解的有机废水处理的效果较好,能在低能耗的状态下去除大部分的CODcrBOD5,有利于后续好氧生物处理。

2.2.3 缺氧-好氧生物处理

2.2.3.1 A/O)工艺

根据锂电电芯和模组废水的特点,生物脱氮的处理工艺选用缺氧/好氧(A/O)工艺,该工艺分为缺氧阶段、好氧阶段。通过缺氧和好氧交替变化的生物环境完成脱氮反应过程,即硝化与反硝化过程。

硝化反应:在好氧条件下,通过亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用,污水中的氨氮氧化成硝酸盐,回流缺氧池,为反硝化的脱氮做好准备。

反硝化反应:在缺氧条件下,由于兼性脱氮菌利用硝酸盐中的氧作为电子受体,有机物被氧化稳定。即NO2--NNO3--N还原成N2的过程,称为反硝化反应。

具体的原理如图2所示。

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2.2.3.2 MBR工艺

MBR工艺即膜生物反应器,选用过滤孔径为0.02μm平板膜,具有以下主要特点:

①由于过滤孔径为0.02μm,因此分离效果非常好,出水水质澄清透亮(悬浮物不超过5mg/L)。

②利用超小孔径截留作用,将微生物菌落留在反应器中,确保了其水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离,使得处理工艺更加灵活稳定。

③膜分离使得大分子的污染物截留在有限的反应器空间中,延长了反应时间,大大提高了降解效果,降低了占地面积。

2.2.4 污泥处理

由于锂电池电芯的正极废水中含有钴镍锰等金属离子,因此,正极废水混凝沉淀后的污泥属于危险废物,该污泥必须利用单独板框压滤机进行脱水处理。

系统中的其他污泥(负极废水沉淀污泥、好氧生物处理的剩余污泥)污泥浓缩池,经板框压滤机脱水后外运。

3、运行状况分析

3.1 运行费用分析

废水处理规模按70t/d设计,经调试稳定后统计,电费和药剂费用分别为:2.30元和3.20元,合计废水处理的直接运行成本5.50/吨废水。

3.2 运行效果分析

经检测,出水污染物排放指标如下表3

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出水指标满足《电池工业污染物排放标准》表2中直接排放标准的要求。

4、结论及建议

1)工程表明,采用预处理+UBF+A/O+MBR组合工艺可有效处理锂电池电芯和模组生产废水,出水水质稳定且完全满足排放要求。

2)该处理工艺的废水处理运行成本(电费和药剂费用)约为5.50/吨废水。

3)本项目的处理工艺的思路,可以为日后的同类型废水处理提供借鉴。(来源:福州宇澄环保工程设计有限公司)

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