文豐玉，覃東棉，陸澤俊

(廣西博環(huán)環(huán)境咨詢服務(wù)有限公司，廣西 南寧 530000)

“雙碳”背景下，鋰離子電池作為新能源存儲(chǔ)及應(yīng)用的重要載體，與其相關(guān)的產(chǎn)業(yè)將迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇[1]。鋰離子技術(shù)是1991年推出的，經(jīng)過不斷發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)融入到我們生活的每個(gè)過程[2-4]。相比于傳統(tǒng)電池材料，鋰離子電池有著諸如工作電壓高、有較高的能量密度、循環(huán)使用壽命較長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、不含重金屬和有毒物質(zhì)、對(duì)環(huán)境污染很小等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。因此，在鋰離子電池行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、國家大力支持新能源政策的驅(qū)動(dòng)下，鋰離子電池行業(yè)將進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。在鋰離子電池正極材料生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生高鹽度廢水[7]，高鹽度廢水中的主要鹽分為硫酸鹽和氯化物，目前高鹽度廢水的處理主要工藝為MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)回收硫酸鈉[8]，由于廢水中含有有機(jī)物，在蒸發(fā)結(jié)晶達(dá)到終點(diǎn)后，剩余的蒸餾底液較難蒸發(fā)完成，造成鋰離子電池正極材料生產(chǎn)企業(yè)需要排放少量的蒸發(fā)底液。由于海洋環(huán)境中氯化物、硫酸鹽的本底含量及環(huán)境容量，很多鋰離子電池正極材料生產(chǎn)企業(yè)朝著沿海方向布局，鋰離子電池正極材料高鹽度廢水向海洋環(huán)境進(jìn)行排放，減少企業(yè)的投資運(yùn)營成本，同時(shí)減少雜鹽等二次環(huán)境污染。目前，尚未有研究對(duì)鋰離子電池正極材料生產(chǎn)企業(yè)排放的含鹽廢水對(duì)海洋環(huán)境的氯化物、硫酸鹽的影響進(jìn)行研究，本研究基于鋰離子電池行業(yè)高鹽度廢水排放特點(diǎn)，以海洋潮流數(shù)值模擬為水動(dòng)力條件[9]，通過污染物濃度貢獻(xiàn)量預(yù)測，獲得鋰離子電池行高鹽度業(yè)廢水排放對(duì)海洋環(huán)境的擾動(dòng)情況進(jìn)行預(yù)測分析。

1 材料和方法

1.1 預(yù)測源強(qiáng)

本項(xiàng)目以某鋰離子電池正極材料生產(chǎn)項(xiàng)目為研究對(duì)象，廢水的排放情況見表1。

1.2 海洋環(huán)境現(xiàn)狀本底值調(diào)查

根據(jù)排污口所在海域進(jìn)3年水環(huán)境常規(guī)監(jiān)控情況，排污口所在海域氯化物、硫酸鹽的環(huán)境背景值見表2。

表2 氯化物和硫酸鹽的環(huán)境背景值Table 2 Environmental background values for chloride and sulfate

1.3 數(shù)學(xué)模型的建立和驗(yàn)證

本研究采用平面二維數(shù)值模型來進(jìn)行預(yù)測與分析，模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計(jì)算域，三角網(wǎng)格能較好的擬合陸邊界，網(wǎng)格設(shè)計(jì)靈活且可隨意控制網(wǎng)格疏密。模型的基本方程為[10]：

(1)質(zhì)量守恒方程

(2)動(dòng)量方程：

式中：η為水位；d為靜水深；h為總水深，h=d+η；u、v為分別為x、y方向垂向平均流速；g為重力加速度；f為科氏力參數(shù)(f=2ωsinφ，ω為計(jì)算海域所處地理緯度)；Sxx、Sxy、Syx、Syy分別為輻射應(yīng)力張量；vt為垂直湍粘性系；Pa為大氣壓力，ρ0為水的參考密度；S-us-vs分別為點(diǎn)源/匯的流量和速度。

漫灘邊界：在潮灘區(qū)采用干濕網(wǎng)格法處理。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 區(qū)域海洋流場分析

從圖1、圖2可以看出，本工程所在的海域內(nèi)洋流為N-S向的往復(fù)流；流速分布為外海水深處流速略小，狹窄水道處流速受地形影響，流速增大；因受地形的影響和制約，港口附近的潮流呈沿等深線運(yùn)動(dòng)的往復(fù)流，轉(zhuǎn)流歷時(shí)較短，局部區(qū)域潮流歸槽現(xiàn)象明顯。通常漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)，落潮流速一般大于漲潮流速，并且漲潮流速過程線呈雙峰型，即在中潮位附近，潮位曲線有時(shí)出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)間歷程，有時(shí)略有回落，致使?jié)q潮流速減小，甚至出現(xiàn)短暫的落潮流。

圖1 區(qū)域海洋漲急潮流場Fig.1 Regional ocean surge current field

圖2 區(qū)域海洋落急潮流場Fig.2 Regional ocean downwelling current field

2.2 硫酸鹽排放對(duì)海洋水環(huán)境的影響

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，硫酸鹽的擴(kuò)散與周圍海洋洋流的流向進(jìn)本一致，以N-S為主，不考慮海洋硫酸鹽背景值時(shí)，硫酸鹽在排放口周圍擴(kuò)散情況見表3，硫酸鹽貢獻(xiàn)濃度超過5 mg·L-1(相對(duì)本底擾動(dòng)率0.15%)的范圍為25.874 km2，硫酸鹽貢獻(xiàn)濃度超過10 mg·L-1(相對(duì)本底擾動(dòng)率0.3%)的范圍為4.464 km2，硫酸鹽貢獻(xiàn)濃度超過20 mg·L-1(相對(duì)本底擾動(dòng)率0.6%)的范圍為0.496 km2，硫酸鹽貢獻(xiàn)濃度超過50 mg·L-1(相對(duì)本底擾動(dòng)率1.5%)的范圍為0.051 km2，對(duì)海洋環(huán)境中硫酸鹽的本底濃度擾動(dòng)較小。硫酸鹽擴(kuò)散對(duì)區(qū)域控制點(diǎn)的擾動(dòng)情況見表4，硫酸鹽濃度的貢獻(xiàn)值在0.09～2.34 mg·L-1范圍，擾動(dòng)率在0.0027%～0.071%，對(duì)控制點(diǎn)的擾動(dòng)甚微。硫酸鹽濃度影響范圍圖見圖3，從圖3中可見，硫酸鹽擴(kuò)散范圍基本不涉及周圍的環(huán)境敏感區(qū)，對(duì)環(huán)境敏感區(qū)的海水水質(zhì)的擾動(dòng)很小。

圖3 硫酸鹽濃度影響范圍圖Fig.3 Influence range diagram of sulfate concentration

表3 硫酸鹽排放影響范圍表Table 3 Impact scope of sulfate emission

表4 硫酸鹽擴(kuò)散對(duì)控制點(diǎn)的擾動(dòng)情況Table 4 Disturbance of sulfate diffusion to control point

2.3 氯化物對(duì)水環(huán)境的影響預(yù)測

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，氯化物的擴(kuò)散與周圍海洋洋流的流向進(jìn)本一致，以N-S為主，不考慮海洋氯化物背景值時(shí)，氯化物在排放口周圍擴(kuò)散情況見表5，氯化物貢獻(xiàn)濃度超過5 mg·L-1(相對(duì)本底擾動(dòng)率0.03%)的范圍為0.427 km2，氯化物貢獻(xiàn)濃度超過10 mg·L-1(相對(duì)本底擾動(dòng)率0.06%)的范圍為0.072 km2，氯化物貢獻(xiàn)濃度超過20 mg·L-1(相對(duì)本底擾動(dòng)率0.12%)的范圍為0.012 km2，氯化物貢獻(xiàn)濃度超過50 mg·L-1(相對(duì)本底擾動(dòng)率0.3%)的范圍為0.002 km2，對(duì)海洋環(huán)境中氯化物的本底濃度擾動(dòng)較小。氯化物擴(kuò)散對(duì)區(qū)域控制點(diǎn)的擾動(dòng)情況見表6，氯化物濃度的貢獻(xiàn)值在0.02～0.55 mg·L-1范圍，擾動(dòng)率在0.00011%～0.0032%，對(duì)控制點(diǎn)的擾動(dòng)甚微。氯化物濃度影響范圍圖見圖4，從圖4中可見，氯化物擴(kuò)散范圍基本不涉及周圍的環(huán)境敏感區(qū)，對(duì)環(huán)境敏感區(qū)的海水水質(zhì)的擾動(dòng)很小。

圖4 氯化物濃度影響范圍圖Fig.4 Influence range diagram of chloride concentration

表5 氯化物排放影響范圍表Table 5 Impact scope of chloride emission

表6 氯化物擴(kuò)散對(duì)控制點(diǎn)的擾動(dòng)情況Table 6 Disturbance of chloride diffusion to control point

3 結(jié) 論

在“雙碳”背景、國家大力支持新能源材料政策的雙重驅(qū)動(dòng)下，鋰離子電池進(jìn)入高速發(fā)展期，鋰離子電池材料正朝著沿海方向布局。本研究以某鋰離子電池正極材料生產(chǎn)項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)其高鹽度廢水排放量及排放濃度進(jìn)行測算，以海洋潮流數(shù)值模擬為水動(dòng)力條件，對(duì)鋰離子電池行高鹽度業(yè)廢水排放對(duì)海洋環(huán)境的擾動(dòng)情況進(jìn)行預(yù)測分析。結(jié)果表明，硫酸鹽、氯化物在排污口附近的擴(kuò)散與周圍海洋洋流的流向基本一致，擴(kuò)散濃度和擴(kuò)散范圍均較小。硫酸鹽擴(kuò)散對(duì)區(qū)域控制點(diǎn)的濃度貢獻(xiàn)值在0.09～2.34 mg·L-1范圍，擾動(dòng)率在0.0027%～0.071%，氯化物擴(kuò)散對(duì)區(qū)域控制點(diǎn)的濃度貢獻(xiàn)值在0.02～0.55 mg·L-1范圍，擾動(dòng)率在0.00011%～0.0032%，對(duì)控制點(diǎn)的擾動(dòng)甚微。海洋環(huán)境中氯化物、硫酸鹽的擾動(dòng)情況預(yù)測分析結(jié)果可為鋰離子電池行業(yè)沿海布局提供海洋環(huán)境影響方面的數(shù)據(jù)支持。