镍镉蓄电池废水处理工艺设计.docx
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镍镉蓄电池废水处理工艺设计
目录
文献综述2
1概述2
2镍镉电池废水处理工艺2
2.1化学法处理法[3]2
2.2电解法3
2.3离子交换法[4]3
2.4膜分离技术[5]3
3工艺的确定4
正文4
1处理工艺技术4
1.1水质及其标准4
1.2工艺技术流程[8,9]5
2构筑物设计计算6
2.1格栅6
2.2调节池7
2.3反应池7
2.4斜板沉淀池9
2.5中间水池12
2.6过滤器12
2.7清水池14
2.8污泥处理系统14
3平面布置及高程布置的设计15
4投资估算与效益分析15
4.1构筑物与设备[11]15
4.2处理药剂16
4.3处理费用分析17
4.4操作管理注意事项17
5总结18
参考文献19
附图20
镍镉蓄电池废水处理工艺设计
文献综述
1概述
镍镉电池自发明以来已有近百年的历史,由于它具有电容量高、易于维护、制造工艺简单及成本低的特点,可广泛地应用于移动通讯、家用电器及电动工具等许多方面。
据估计，目前全球每年镍镉电池的生产量为60000t，因此而消耗掉7000t以上的镉。
仅1999年国内就生产镉镍电池4.5亿只。
虽然全球的镍镉电池的产量在逐年减少，但我国镍镉电池的产量在近几年可能会以5%～10%的速度增长[1]。
在电池生产浸渍、化成等过程中都有金属镉、镍离子从废水中排除。
高浓度的镉会造成植物的生长发育滞缓，还会造成在生物体内残留和富集，最终通过食物链进去人体，危及人类健康。
镉中毒会引起骨痛病、肾损伤、肠胃不适合心血功能障碍等，甚至会导致癌症。
镍的毒性仅次于镉，但是大于铅，因此镍对人体健康及其环境的危害也不容忽视[2]。
而镍镉作为比较贵重的重金属，合理的回收利用可以大大降低污水的处理成本，因此有必要制定一套高效、经济的废水处理方案处理镍镉蓄电池废水。
2镍镉电池废水处理工艺
废水处理的任务是采用各种技术措施将废水中所含有各种形态的污染物分离出来或将其分解、转化为无害和稳定的物质，使废水得到净化。
一般说来，废水中所含的污染物质是多种多样的，因此不能期望只用一种处理方法就能把所有的污染物质去除殆尽，往往需要有几种方法组成一个处理系统，才能完成所要求的处理功能。
在决定一种废水的处理方案时，需要考虑多方面的因素，其中主要包括:
废水的水质，废水的水量，所含污染物的种类和含量，投资金额以及设备场地等。
同时，各种处理方法又各有其优缺点。
有的处理方法污染物去除率低，但处理费用较低;而有的处理效果较好，但其处理费用较高。
因此，在废水处理过程中既要节省费用又要达到好的处理效果，往往需要几种处理方法综合应用。
一般工业废水根据废水水质和处理量、排放要求等指标进行分级处理。
先用成本低的方法去除大部分污染物，然后进一步用较高级的技术再进行深度处理。
对于重金属镍、镉的处理主要有以下集中方法。
2.1化学法处理法[3]
化学方法处理是添加化学试剂后，通过化学反应改变废水中污染物的物理和化学性质，使其能从废水中取出并达到国家排放标准的处理方法。
处理镍镉废水主要包括碱化法和硫化法。
碱化法是用石灰或氢氧化钠调节pH值到10以上，再添加絮凝剂是氢氧化镉充分沉淀。
此方法简单，药剂来源广，经济可靠。
沉淀后溶液pH值较高需要加酸中和才能排放。
硫化法是用硫化钠（硫化铁或者硫化氢）等与重金属反应生成难容的硫化物，通过混凝沉淀进行固液分离。
该方法的处理效果好，即使在酸性条件下，硫化物也较难溶解，但是硫化剂的价格较贵。
2.2电解法
电解法处理废水主要是使废水中的有害物质通过电解过程在阴，阳两级上分别发生氧化和还原反应，转化成无害物质；或利用电极氧化和还原产物与废水中的有害物质发生化学反应，生成不溶于水的沉淀物，然后分离去除；或通过电解反应回收金属。
优点：
电解法流程简单，生产占地少，另外操作也很简便与电镀工艺类似，易于被操作工人掌握，而且回收的金属纯度也高，特别是和用于对贵金属的回收。
缺点：
电解法耗电多，污泥也多，对于污泥的处理与化学法一样难以处置。
2.3离子交换法[4]
离子交换是将废水中的离子与离子交换树脂上的离子进行交换而被除去，从而使废水得到净化。
离子交换树脂交换吸附饱和后进行再生。
再生是利用再生剂中的离子在浓度占绝对优势的情况下，将离子交换树脂上的离子洗脱下来，使离子交换树脂恢复其交换能力。
离子交换法从本质上讲是一种浓缩方法。
离子交换前废水的离子浓度（单位为mg/L）一般为几十至几百，而吸附饱和后树脂再生洗脱液的离子浓度被浓缩到几万，再生液的体积一般占处理水体积的10%~15%。
因此采用离子交换法处理重金属废水时，必须事先考虑再生液的处理问题。
离子交换法的优点是，选择性高，可以去除用其它方法难于分离的金属离子，可以从含多种金属离子的废水中选择性的回收贵重金属;既可去除废水中的金属阳离子，也可以去除阴离子，可以使废水净化到较高的纯度。
这种方法的缺点是，离子交换树脂价格较高，树脂再生时需要酸、碱或食盐等，运行费用较高，再生液需要进一步处理。
因此，离子交换法在较大规模的废水处理工程中较少采用。
2.4膜分离技术[5]
膜分离是指通过特定的膜的渗透作用，借助于外界能量或化学位差的推动，对两组分或多组分的气体或液体进行分离、分级、提纯和富集。
膜分离法处理电镀废水一般选用反渗透、超滤及二者的结合技术，其关键是根据分离条件选择合适的膜。
对于酸性较强的废液应选择在酸性环境中，具有较好稳定性的芳香族聚酰胺中空纤维膜。
（B－9、B－10、B－15）和芳香聚酰肼（DP－1）膜，对镀镉废水及含氰等碱性较强的废液应选用耐碱性较好的分离膜。
对于具有较高氧化性的Cr（VI）的去除则要求膜具有较好的抗氧化能力，一般Cr（VI）的去除，选用聚苯并咪唑酮（PBJL）膜和聚砜酰胺（PSA）膜。
膜分离作为新的分离净化和浓缩技术，过程中大多数无相变化，常温下操作，有高效、节能、工艺简便、投资少、污染小等优点，尤其对于处理热敏物质领域如食品、药品、和生物工程产品，显示出极大优越性。
与传统分离操作（如蒸发、萃取或离子交换等）相比较，不仅可以避免组分受热变性或混入杂质，通常还有低能耗和效率高的特点，因而具有显著的经济效益，故发展相当迅速，应用也越来越广泛。
在国际膜会议上曾将“在21世纪的多数工业中膜过程所扮演的战略角色”列为专题，进行深入讨论，并认为它是20世纪末到21世纪中期最有发展前途的高技术之一。
随着膜组件国产化程度的提高，制约膜技术发展的投资额及维修费用过高的问题将得到缓解，在加上水回用需求的增加，在未来的电镀废水处理工程实践中，膜分离技术将越来越受到人们的重视。
但是作为一项新技术，它的先进性和经济性究竟怎样尚需深入探索。
目前，膜分离技术面临的问题主要是国产膜性能不佳、进口膜价格昂贵、膜易被污染。
3工艺的确定
在处理镍镉废水的诸多工艺中，化学法应用最为普遍，在国外约占90％以上，中国各种废水处理工艺的应用比例依次为化学法、离子交换法、电解法；化学法约占40％，而且化学法呈上升趋势并逐渐向发达国家靠近，离子交换和电解法则呈下降，下降或上升的原因主要在于处理工艺的实用程度[6]。
采用化学法的废水处理工程投资约占工程总投资的5％左右，而离子交换、电解法、反渗透法等废水处理工程投资约占总投资的30％～40％。
所以根据各个处理方法的优缺点及本设计的实际情况选择采用化学法进行2天处理一次。
正文
1处理工艺技术
1.1水质及其标准
1.1.1蓄电池废水水质
蓄电池废水水质如下：
pH=8，Cd=10mg/L，Ni=20mg/L，SS=300mg/L，污水量Q=100m3/d。
1.1.2处理要求
污水排放应达到《国家标准污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级标准（1998.1.1之后）：
pH=6~9，Cd≤0.1mg/L，Ni≤1.0mg/L，SS≤150mg/L[7]。
1.2工艺技术流程[8,9]
1.2.1废水系统
废水处理系统采用连续处理工艺。
废水经过两次提升，一次提升从调节池到中间水池，二次提升从中间水池到清水池。
调节池中废水由耐腐蚀泵泵入反应池，在反应池中以重力流方式流经反应池、斜板沉淀池和中间水池，完成镍镉离子的絮凝和沉淀分离反应。
中间水池的水由耐腐蚀泵泵入石英砂过滤器过滤，出水流入清水池，清水池中pH值不达标，可以加酸或加碱进行调节；如果污染物超标，返回调节池重新处理。
反应过程的控制通过在线pH计和液位计实现。
1.2.2污泥系统
斜板沉淀池中沉积的污泥经污泥浓缩池浓缩，再经板框压滤机脱水后打包待用。
浓缩和压滤出水返回调节池重新处理。
1.2.3药剂投配系统
在调节池调节废水pH值已达到镍镉离子沉淀的要求（pH>10）,而由于高pH值下产生的镍镉氢氧化物成胶体不易沉淀，因此在反应池中投加PAM和PFS絮凝剂从而提高沉降率。
pH的调节通过投加氢氧化钠来实现，虽然氢氧化钠成本较氢氧化钙较高，但是其便于运输储存和投放，且氢氧化钙产生的污泥量较大，因此选用氢氧化钠。
2构筑物设计计算
2.1格栅
目前格栅的种类繁多，发展较快，从格栅的型式来分，可分为链式机械格栅除污机、一体三索式格栅除污机、回旋式格栅除污机和阶梯式格栅除污机等等。
本污水处理项目采用的型式为：
链式机械格栅除污机（见附图1、2）。
2.1.1设计参数
由进水量而得，设计参数如下[9]：
设计流量：
栅条宽度S＝10.0mm栅条间隙宽度d＝20.0mm栅前水深h＝0.5m
过栅流速v＝1.0m/s栅前渠道流速vb＝0.9m/sα＝60°
2.1.2设计计算
格栅的间隙数：
则栅条数目为5-1=4个
格栅建筑宽度：
宽度很小，可忽略渐宽。
水头损失，栅后槽略高即可。
进水渠道渐宽部分长度（l1）：
取进水渠道宽B1＝0.1m，渐宽部分展开角α1＝20°，此时进水渠道流速为0.75m/s
渠道与出水渠道连接处的渐窄部分长度（l2）：
过栅水头损失（h1）：
因栅条为矩形截面，取k=3，并将已知数据带入式得：
取栅前渠道超高h2为0.3m，则栅前槽总高为：
则栅后槽总高度为：
栅槽总长：
栅渣采用机械清渣的方式去除。
2.2调节池
废水水质质量有一定的波动，设置调节池使水质和水量保持相对的稳定，有利于后续处理单元的有效运行，调节池材料采用钢筋混凝土，内外作防腐处理，调节池设事故溢流管。
2.2.1参数选取
池形方形
停留时间HRT=4h
2.2.2工艺尺寸
有效容积V＝Q·HRT=200·4/24=33.33m3
有效水深H＝4000mm
横截面积S=V/H=33.33/4.0=8.33m3
池长L=2500mm
池宽B=S/L=8.33/2.5=3.33m
取B=3500mm
调节池总尺寸长度×宽度×高度=2500mm×3500mm×4000mm
2.2.3工艺装备
Ph计，1次提升泵1台。
2.3反应池
反应池中加入各种药剂，使氢氧化镉和氢氧化镍的生成过程。
为了促进反应物的充分接触反应，反应池应设置混合设备，由于生成的镍镉的氢氧化物絮体不易沉降，在进入沉淀池之前应在反应池中投加絮凝剂帮助絮体长大以利于后续沉淀单元的处理效果。
反应池内进行絮凝反应，在反应过程进行机械搅拌。
2.3.1主要设计参数
絮凝反应
pH值本废水处理车间主要处理铬和锌，沉淀时镍镉氢氧化物的最佳沉淀pH≥10，所以选择絮凝池pH值为10。
停留时间HRT＝20min
G值50/s
反应池示意图
2.3.2工艺尺寸
反应池的有效容积
V=Q·t=200·（20+20）/（24·60）=5.64m3
式中Q——设计流量，m3/h；
t——反应时间，h。
水深H＝1.0m
超高0.5m
长L＝3.0m
宽B＝2.0m
净尺寸L×B×H＝3000mm×2000mm×1500mm
2.3.3工艺设备
絮凝反应搅拌装置[9]
按每m3池容输入功率10W计算，需要输入的功率N为
N=10V/2=10·5.64/2=28.2W=0.028kW
搅拌机机械总效率η1采用0.75，搅拌机传动效率η2为0.8，则搅拌机所需的电动机功率N'为
N'＝N/（η1η2）＝0.028/（0.75·0.8）＝0.047kW
桨叶构造采用平板形，8叶，桨叶上下边缘分别距水面和池底0.25m。
2.4斜板沉淀池
废水处理中固液分离一般采用沉淀池或气浮池。
斜板沉淀池具有沉淀效率高，停留时间短，占地少等优点，在电镀废水中得到广泛的应用。
一般为了构造简单，多采用异向流斜板沉淀池，即水流倾斜向上流，污泥则倾斜向下流。
沉淀池中污泥至少每天排一次，以免污泥板结堵塞排泥管。
设计的斜板沉淀池如图所示：
斜板沉淀池示意图
2.4.1参数选取[7]
个数n1
水力表面负荷q3m3/（m2·h）
斜板长L1.0m
斜板倾角θ60º
斜板净距d 40mm
斜板厚b5mm
2.4.2工艺尺寸
池表面积A
A＝Q/（0.91·n·q）＝200/（0.91·1·4·24）＝2.28m2
式中Q——最大设计流量，m3/h；
n——池数；
q——表面负荷，一般用3～5m3/（m2·h）；
0.91——斜板面积利用系数。
池长a
a=
＝
＝1.5m
取a＝1.5m
核算
q＝Q/（0.91·n·A）＝200/（0.91·1·2.25·24）＝4.07m3/（m2·h）
满足条件3～5m3/（m2·h）
斜板个数m
m=a/（b+d）-1＝1.5/（0.005+0.04）-1＝32个
斜板区高度h3
h3=L·sinθ＝1·sin60º＝0.87m
取斜板上端清水区高度h2=0.5m
取水面超高h1=0.3m
取斜板下端与排泥斗之间缓冲层高度h4=1.0m
泥斗斗底为正方形，泥斗底边长为a1=0.3m，泥斗倾角为β＝60º，泥斗高h5为
h5＝
tg60º=
tg60º＝0.43m
污泥斗总容积V
V=2·
·h5（a12+a12+a1·a2）＝2·
·0.43·（0.82+0.32+0.8·0.3）＝0.19m3
沉淀池总高度H
H=h1+h2+h3+h4+h5＝0.3+0.5+0.87+1.0+0.43＝3.10m
2.4.3细节部分
（1）集水槽
采用两侧淹没孔口集水槽集水，如图：
集水槽
集水槽个数1个
槽中流量
q＝200/（24·3600）＝0.002315m3/s
考虑池子超载系数为20％，则槽中流量
q0＝1.2q＝1.2·2.315＝0.002778m3/s
槽宽
B＝0.9q0.4＝0.9·0.0027780.4＝0.085m
为便于加工取槽宽B＝90mm
起点槽中水深
H1＝0.75B＝67.5mm
终点槽中水深
H2＝1.25B＝112.5mm
槽中水深统一按H2＝115mm计。
如图所示：
集水槽断面
集水方式为淹没式自由跌落，淹没水深为0.05m,跌落高度为0.05m,槽超高取0.1m,则集水槽总高度H
H＝H2+0.05+0.05+0.1＝0.315m
孔眼计算
由q0＝ωμ
，
式中q0——集水槽流量，m3/s；
μ——流量系数，取0.62；
h——孔口淹没水深，此处为0.05m；
ω——孔眼总面积，m2。
得ω＝q0/（μ·
）＝
＝0.0045m2
孔径采用d=15mm,则单孔面积ω0为
ω0＝πd2/4＝0.785·0.012＝0.0001766m2
则孔眼个数
n＝ω/ω0＝0.0045/0.0001766＝25.4
取n＝26
集水槽每边孔眼个数
n´＝n/2＝26/2＝13个
相邻孔眼中心距离
s＝L/（n´+1）＝0.8/（13+1）＝0.057m
为加工方便，相邻两孔眼间距取0.06m，靠近两端各留出0.05m.
（2）落水斗
落水斗尺寸为L×B×H＝300mm×300mm×400mm，排水管采用DN25（外径Φ×壁厚＝32mm×2.5mm）硬聚氯乙烯管.
（3）排泥管
选用DN150（外径Φ×壁厚＝160mm×5.0mm）硬聚氯乙烯管。
2.5中间水池
其作用为沉淀池出水储池，同时用作过滤器水泵集水池。
有效容积取1h废水流量。
2.5.1工艺尺寸
有效容积V＝1·200/24＝8.33m3
净尺寸L×B×H＝2500mm×2000mm×2000mm
2.6过滤器
去除沉淀单元未能有效去除的微小絮体，进一步降低处理废水重金属离子浓度，保证达标排放或回用要求。
一般可采用PE微孔管过滤、重力式过滤或压力式过滤。
PE微孔过滤精度高，经过滤出水浊度可低于0.5mg/L，但微孔管容易堵塞，需经常反冲洗和定期酸洗，每3年应更换一次。
重力式过滤和压力式过滤操作简单方便，但过滤精度不及PE管，出水浊度在1～1.5mg/L。
压力式过滤在中小规模工业废水处理中使用较多。
选用砂滤器，石英砂单层滤料。
2.6.1设计参数[7]
滤层厚度h1.0m
承托层厚h´450mm,分4层
正常滤速v8m/h
强制滤速v´16m/h
工作周期T24h
反洗膨胀率40％
反冲强度15L/（m2·s）
反冲时间5min
反冲洗水处理后水
2.6.2工艺尺寸
截面积S
S＝
＝
＝1.04m2
直径D
D＝
＝
＝1.33m
取D＝1.4m
校核空塔流速v
v＝
＝
＝5.42m/h
符合要求（5-10m/h）
需要石英砂体积为
V＝S·h＝π·0.62·1.0/4＝0.28m3
石英砂滤料反冲洗膨胀度为40％，则砂滤料的有效高度为
H＝0.45+1.0·（1.0+0.4）＝1.85m
砂滤料净尺寸为Φ600mm×2000mm
反冲洗最大需水量为
Q´＝5·60·0.3·15/1000＝1.35m3
设计取1.5m3
2.6.3工艺设备
二次提升泵1台。
2.7清水池
储存过滤后的净化水，调解处理与回用之间的平衡。
一旦废水中金属离子含量达不到处理要求，用泵打回调节池重新处理。
选用方形池，有效容积按砂滤器1次反冲洗水量的2倍计算，处理达标后的水经DN70（75mm×4mm）硬聚氯乙烯溢流管直接外排，池底设DN50泄空管。
2.7.1工艺尺寸
有效容积V＝2·1.5＝3.0m3
池体净尺寸L×B×H＝2000mm×1500mm×1000mm
2.7.2工艺设备
反冲洗泵2台，用途有二：
其一为砂滤器反冲洗提供动力，其二在清水池水中金属离子超标是泵回调节池。
2.8污泥处理系统
2.8.1斜板沉淀池排泥
采用重力排泥，排泥管DN150，自动控制排泥阀[10]。
2.8.2污泥浓缩池
沉淀后污泥的含水率一般在99％左右，经化学法处理后废水中悬浮物含量为
Cjs＝1.7C1+C2＝1.7·30+300＝351mg/L
C1——废水中金属离子的含量，mg/l；
C2——废水进水中悬浮物含量，mg/l。
浓缩时间为12h，则有效容积为
V＝50·351·12/[24·（1-99％）·1.02·106]＝0.86m3
直径取值1.2m
H1=0.86/（3.14×0.62）=0.76m
污泥超高取H2=0.3m
污泥缓冲取H3=0.3m
总高度H=0.76+0.3+0.3=1.36m
尺寸为Φ1200mm×1400mm
2.8.3污泥脱水
从斜板沉淀池排出含水率为99％的污泥量为
v´＝0.63/8＝0.08m3
在浓缩池内浓缩8h后含水率降为98％的污泥量为
v＂＝0.08·（100-99）/（100-98）＝0.04m3
经板框压滤机压滤脱水后污泥含水率可降为70～80％，则每天排泥量为
v＝24·0.004·（100-98）/（100-80）＝0.096m3/d
以压滤机滤饼最大厚度20mm计算，需要过滤面积为
A＝0.096/0.02＝4.8m2
本系统采用一台过滤面积为6m2的板框压滤机，1d工作1次即可。
3平面布置及高程布置的设计
平面布置和高程布置见附图
4投资估算与效益分析
4.1构筑物与设备[11]
构筑物与设备一览表
序号
名称
规格
数量
设计参数
主要设备
1
格栅
1.98m×0.12m
1
Q=200m3/d，d=20mm，
h=0.5m，v=1.0m/s
HG-1200回旋式机械格栅1套
2
调节池
2.5m×3.5m×4m
1
Q=200
/h；T=4h；
提升泵1台
3
絮凝反应化池
3m×2m×1.5m
1
Q=200m3/d，T=20min，
G=50/s
搅拌器1台
4
斜板式沉淀池
3.10m×1.5m
1
表面负荷q1＝4.07
刮泥机1台
5
中间水池
2.5m×2m×2m
1
V＝8.33m3
6
砂滤器
Φ1.4m×1.85m
1
V=5.42m/h
7
清水池
2m×1.5m×1m
1
反冲洗泵2台
8
污泥浓缩池
Φ1.1m×1.4m
1
p1=99%；c1=351mg/L
BMS6/420-U型板框压滤机1台
4.1.1设备材料要求[12]
处理系统对于要求比较高的，在化学反应时会产生热量的罐体采用炭钢焊接而成的，内外作防腐处理，为节约成本，少占地，尽可能采用设备一体化设计。
本系统对不放热反应的罐体都采用聚乙烯（PE）材质的设备，PE材质具有耐腐蚀、抗氧化、不生锈、外观美等特点，而且安装轻巧，维修方便。
处理系统采用机械搅拌，机械搅拌主要用于各槽罐的液体搅拌，如反应槽、配药槽等。
电控采用性能稳定，运行可靠的产品。
本系统的废水输送泵采用耐腐蚀塑料泵，具有良好的防腐功能，污泥压滤采用隔膜泵，对于本系统的处理效果影响最大的是各种药剂的投加量的控制，计量泵要运行稳定。
废水管路设计以及加药管均采用UPVC管道，部分加药管采用增强塑料软管，系统管路分别沿地沟、墙面及管架集中排布，然后分散到各点。
4.1.2电气控制系统设计要求
控制方式分为手动河自动控制两种方式，两种方式可以切换，具有较高的操作灵活性。
废水处理系统的主要设备的运行状态可在主控柜模拟盘上显示，如废水调节池的工作液位与溢流报警液位，各罐体的下限报警液位等。
当废水处理系统出于自动待机状态时，废水输水泵可自动启动（当废水储池液位达到上限后），将废水输入处理槽，当废水储池液位降至下限时，废水输水泵可自动关闭。
当输水泵启动后，需操作人员手动调节流量。
当废水输水泵启动后，处理槽进入自动加药调节控制程序，搅拌机于泵联动，添加氢氧化钠自动调节pH值。
反应槽絮凝反应段通过pH计控制计量泵自动添加PAM等药液。
清水池中有在线监测仪，当pH值不满足要求时，池中搅拌器开启，pH值调节加药泵自动运行，将处理后的废水调至pH＝6～9范围。
废水处理系统在手动控制状态下，操作人员可在操作现场通
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