基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统及方法与流程

本发明涉及一种污泥冻融脱水系统及方法，属于污泥处理技术领域。

背景技术

污泥处理是对污泥进行减量化、稳定化和无害化处理的过程。污水处理程度越高，就会产生越多的污泥残余物需要加以处理。除非是利用土地处理或污水塘处理污水，否则一般的污水处理厂必须设有污泥处理设施。对现代化的污水处理厂而言，污泥的处理与处置已成为污水处理系统运行中最复杂且花费最高的一部分。

污泥脱水是污泥处理的重要环节，主要用于实现污泥的减量化。现有的污泥脱水方法主要包括热处理法、冻融法、超声波法、微波法、化学处理法和生物处理法。这其中，冻融法因能够改变污泥中的絮体结构，促进污泥胞内冰晶的生长，促使细胞膜和细胞质的破坏，有效地降低污泥含水率而受到了越来越多的关注和应用。

然而，现有的污泥冻融脱水方法仍然存在以下问题：

一、在污泥冻融的过程中需要大量的冷、热量供应，由此引发的高能耗问题严重制约了现有污泥冻融脱水方法的推广、普及和规模化应用。

二、现有的污泥冻融脱水方法通常借助自然环境来实现污泥的冻与融，这种依赖自然环境来实现污泥冻融的方式不仅受季节限制而且冻、融周期较长，无法高效地实现污泥的冻融脱水。

技术实现要素：

本发明为解决现有污泥冻融脱水方法耗能高和脱水效率低的问题，提出了一种基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统及方法。

本发明所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统包括太阳能半导体制冷制热装置和污泥冻融脱水装置；

太阳能半导体制冷制热装置包括第一半导体制冷单元和第二半导体制冷单元；

污泥冻融脱水装置包括污泥预处理单元和污泥深度处理单元；

污泥预处理单元用于对添加有秸秆碎片、沸石颗粒、活性炭颗粒或者废铁屑的污泥进行搅拌，进而使污泥与添加物充分混合；

污泥深度处理单元包括一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓；

第一半导体制冷单元工作于制冷模式，其冷端和热端分别为二级冷冻仓的冷源和一级加热仓的热源；

第二半导体制冷单元工作于制热模式，其冷端和热端分别为一级冷冻仓的冷源和二级加热仓的热源；

一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓按照预定的污泥深度处理顺序对预处理后的污泥进行冷冻或加热，进而实现污泥的循环冻融脱水。

作为优选的是，污泥预处理单元包括预处理仓和搅拌机构；

搅拌机构包括电动机、搅拌轴、多个搅拌桨、第一轴承和第二轴承；

在预处理仓内设置有竖直隔板，竖直隔板将预处理仓自前向后分隔为电动机放置仓和污泥搅拌仓；

电动机设置在电动机放置仓内，搅拌轴与电动机的转轴联动；

第一轴承水平固设在竖直隔板上，并贯穿竖直隔板；

第二轴承水平固设在预处理仓的后端板上；

搅拌轴的后端经第一轴承进入污泥搅拌仓内，并延伸至第二轴承内；

多个搅拌桨均同轴固设在搅拌轴上，并在污泥搅拌仓内沿水平方向等间距分布。

作为优选的是，二级冷冻仓的第一侧壁与一级加热仓的第一侧壁相对设置，在二者之间紧密设置有第一固定板；

一级冷冻仓的第一侧壁与二级加热仓的第一侧壁相对设置，在二者之间紧密设置有第二固定板；

第一半导体制冷单元嵌设在第一固定板中，其冷端和热端分别超出第一固定板的两侧，该冷端在贯穿二级冷冻仓的第一侧壁后进入二级冷冻仓，该热端在贯穿一级加热仓的第一侧壁后进入一级加热仓；

第二半导体制冷单元嵌设第二固定板中，其冷端和热端分别超出第二固定板的两侧，该冷端在贯穿一级冷冻仓的第一侧壁后进入一级冷冻仓，该热端在贯穿二级加热仓的第一侧壁后进入二级加热仓。

作为优选的是，所述污泥冻融脱水系统还包括污泥容纳装置；

预处理后的污泥经污泥容纳装置搁置在一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓内，以及在一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓之间转移；

污泥容纳装置包括筛盘和筛网，筛网沿筛盘的外沿分布并能够在筛盘的轴向上整体伸缩；

当对预处理后的污泥进行冷冻或加热时，筛盘置于其所在仓的底板上；

在一级加热仓的第二侧壁上和二级加热仓的第二侧壁上分别设置有第一溢流管和第二溢流管，第一溢流管和第二溢流管的标高均小于筛盘厚度。

作为优选的是，所述污泥冻融脱水系统还包括制冷制热时间控制装置；

制冷制热时间控制装置用于根据预设的控制指令，控制第一半导体制冷单元和第二半导体制冷单元的工作时间。

作为优选的是，所述污泥冻融脱水系统还包括温度测量装置；

温度测量装置包括第一温度传感单元～第四温度传感单元、温度数据采集单元和温度数据显示单元；

第一温度传感单元～第四温度传感单元分别用于实时测量一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓内的温度数据；

温度数据采集单元用于同时无线采集第一温度传感单元～第四温度传感单元测量到的温度数据；

温度数据显示单元用于显示温度数据采集单元采集到的温度数据。

作为优选的是，所述污泥冻融脱水系统还包括红外热成像装置；

红外热成像装置用于同时采集并显示一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓内部的红外热像图；

红外热成像装置包括第一红外探测单元～第四红外探测单元；

在一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓的仓盖上分别设置有第一红外观察窗～第四红外观察窗，第一红外探测单元～第四红外探测单元分别经第一红外观察窗～第四红外观察窗接收来自对应仓内的热辐射。

作为优选的是，太阳能半导体制冷制热装置还包括太阳能光电转换单元、数控匹配单元和储能单元；

太阳能光电转换单元用于通过数控匹配单元为所述污泥冻融脱水系统的各个用电设备供电，以及为储能单元充电；

数控匹配单元用于使所述污泥冻融脱水系统的电能传输始终处于最佳匹配状态，并对储能单元的过充、过放进行控制；

储能单元用于在太阳能光电转换单元无输出时为所述污泥冻融脱水系统的各个用电设备供电；

制冷制热时间控制装置通过数控匹配单元控制第一半导体制冷单元和第二半导体制冷单元的工作时间。

作为优选的是，第一半导体制冷单元的冷端和热端以及第二半导体制冷单元的冷端和热端均采用风冷、水冷、热管或者自然对流的散热方式；

在一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓的内、外表面上均设置有保温隔热层；

第一固定板和第二固定板均为硬质保温隔热板；

第一红外观察窗～第四红外观察窗均采用保温隔热玻璃制成。

本发明所述的污泥冻融脱水方法基于所述污泥冻融脱水系统来实现，该方法包括：

步骤一、通过对待处理污泥进行取样得到试验污泥，并采用污泥预处理单元对添加有秸秆碎片、沸石颗粒、活性炭颗粒或者废铁屑的试验污泥进行搅拌，使试验污泥与添加物充分混合；

步骤二、将预处理后的试验污泥等体积分为第一批次试验污泥～第四批次试验污泥；

步骤三、依次采用二级冷冻仓、一级加热仓、二级加热仓和一级冷冻仓对第一批次试验污泥进行单次处理时间为t小时的循环式深度处理，直至第一批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第一批次试验污泥的最优处理次数；

步骤四、依次采用一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓对第二批次试验污泥进行单次处理时间为t小时的循环式深度处理，直至第二批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第二批次试验污泥的最优处理次数；

步骤五、依次采用一级加热仓、二级加热仓、一级冷冻仓和二级冷冻仓对第三批次试验污泥进行单次处理时间为t小时的循环式深度处理，直至第三批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第三批次试验污泥的最优处理次数；

步骤六、依次采用二级加热仓、一级冷冻仓、二级冷冻仓和一级加热仓对第四批次试验污泥进行单次处理时间为t小时的循环式深度处理，直至第四批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第四批次试验污泥的最优处理次数；

步骤七、取第一批次试验污泥～第四批次试验污泥的最优处理次数的平均值，并将向上取整后的平均值记为单批次污泥的最优处理次数；

步骤八、在余下的待处理污泥中取出与试验污泥等体积的污泥，在污泥中添加同种类、等质量的添加物，并采用污泥预处理单元对污泥进行搅拌，使污泥与添加物充分混合；

步骤九、将污泥等体积分为第一批次污泥～第四批次污泥；

步骤十、依次采用二级冷冻仓、一级加热仓、二级加热仓和一级冷冻仓对第一批次污泥进行循环式深度处理，依次采用一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓对第二批次污泥进行循环式深度处理，依次采用一级加热仓、二级加热仓、一级冷冻仓和二级冷冻仓对第三批次污泥进行循环式深度处理，依次采用二级加热仓、一级冷冻仓、二级冷冻仓和一级加热仓对第四批次污泥进行循环式深度处理；

四批次污泥的循环式深度处理同时进行，每批次污泥的单次处理时间均为t小时，每批次污泥的循环式深度处理的处理次数均为单批次污泥的最优处理次数。

本发明所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，采用太阳能半导体制冷制热装置来实现污泥冻融过程中的冷、热量供应。除此之外，一级加热仓利用第一半导体制冷单元制冷过程中产生的余热对污泥进行加热，一级冷冻仓利用第二半导体制冷单元制热过程中产生的余冷对污泥进行冷冻。因此，本发明所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统因采用可再生能源作为工作能源以及充分利用半导体制冷单元工作中产生的余冷和余热而有效地解决了现有污泥冻融脱水方法耗能高、不经济的问题。

本发明所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，采用太阳能半导体制冷制热装置和相应的仓体来人为营造污泥的冻、融环境，这种依靠人工冷、热源来实现污泥冻融的方式不仅不受季节限制，而且可以人为设定冻、融周期。因此，本发明所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统能够高效地实现污泥的冻融脱水。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统及方法进行更详细的描述，其中：

图1为实施例所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统的内部结构平面图；

图2为实施例所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统的俯视图；

图3为实施例提及的第一半导体制冷单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统及方法作进一步说明。

实施例：下面结合图1～图3详细地说明本实施例。

本实施例所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统包括太阳能半导体制冷制热装置和污泥冻融脱水装置；

太阳能半导体制冷制热装置包括第一半导体制冷单元和第二半导体制冷单元；

污泥冻融脱水装置包括污泥预处理单元和污泥深度处理单元；

污泥预处理单元用于对添加有秸秆碎片、沸石颗粒、活性炭颗粒或者废铁屑的污泥进行搅拌，进而使污泥与添加物充分混合；

污泥深度处理单元包括一级冷冻仓1、二级冷冻仓2、一级加热仓3和二级加热仓4；

第一半导体制冷单元工作于制冷模式，其冷端和热端分别为二级冷冻仓2的冷源和一级加热仓3的热源；

第二半导体制冷单元工作于制热模式，其冷端和热端分别为一级冷冻仓1的冷源和二级加热仓4的热源；

一级冷冻仓1、二级冷冻仓2、一级加热仓3和二级加热仓4按照预定的污泥深度处理顺序对预处理后的污泥进行冷冻或加热，进而实现污泥的循环冻融脱水。

本实施例的污泥预处理单元包括预处理仓和搅拌机构；

搅拌机构包括电动机5、搅拌轴6、多个搅拌桨7、第一轴承8和第二轴承9；

在预处理仓内设置有竖直隔板10，竖直隔板10将预处理仓自前向后分隔为电动机放置仓和污泥搅拌仓；

电动机5设置在电动机放置仓内，搅拌轴6与电动机5的转轴联动；

第一轴承8水平固设在竖直隔板10上，并贯穿竖直隔板10；

第二轴承9水平固设在预处理仓的后端板上；

搅拌轴6的后端经第一轴承8进入污泥搅拌仓内，并延伸至第二轴承9内；

多个搅拌桨7均同轴固设在搅拌轴6上，并在污泥搅拌仓内沿水平方向等间距分布。

在本实施例中，二级冷冻仓2的第一侧壁与一级加热仓3的第一侧壁相对设置，在二者之间紧密设置有第一固定板；

一级冷冻仓1的第一侧壁与二级加热仓4的第一侧壁相对设置，在二者之间紧密设置有第二固定板；

第一半导体制冷单元嵌设在第一固定板中，其冷端和热端分别超出第一固定板的两侧，该冷端在贯穿二级冷冻仓2的第一侧壁后进入二级冷冻仓2，该热端在贯穿一级加热仓3的第一侧壁后进入一级加热仓3；

第二半导体制冷单元嵌设第二固定板中，其冷端和热端分别超出第二固定板的两侧，该冷端在贯穿一级冷冻仓1的第一侧壁后进入一级冷冻仓1，该热端在贯穿二级加热仓4的第一侧壁后进入二级加热仓4。

本实施例所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统还包括污泥容纳装置；

预处理后的污泥经污泥容纳装置搁置在一级冷冻仓1、二级冷冻仓2、一级加热仓3和二级加热仓4内，以及在一级冷冻仓1、二级冷冻仓2、一级加热仓3和二级加热仓4之间转移；

污泥容纳装置包括筛盘11和筛网，筛网沿筛盘11的外沿分布并能够在筛盘11的轴向上整体伸缩；

当对预处理后的污泥进行冷冻或加热时，筛盘11置于其所在仓的底板上；

在一级加热仓3的第二侧壁上和二级加热仓4的第二侧壁上分别设置有第一溢流管12和第二溢流管13，第一溢流管12和第二溢流管13的标高均小于筛盘11厚度。

本实施例所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统还包括制冷制热时间控制装置31；

制冷制热时间控制装置31用于根据预设的控制指令，控制第一半导体制冷单元和第二半导体制冷单元的工作时间。

本实施例所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统还包括温度测量装置；

温度测量装置包括第一温度传感单元14～第四温度传感单元17、温度数据采集单元18和温度数据显示单元19；

第一温度传感单元14～第四温度传感单元17分别用于实时测量一级冷冻仓1、二级冷冻仓2、一级加热仓3和二级加热仓4内的温度数据；

温度数据采集单元18用于同时无线采集第一温度传感单元14～第四温度传感单元17测量到的温度数据；

温度数据显示单元19用于显示温度数据采集单元18采集到的温度数据。

本实施例所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统还包括红外热成像装置32；

红外热成像装置32用于同时采集并显示一级冷冻仓1、二级冷冻仓2、一级加热仓3和二级加热仓4内部的红外热像图；

红外热成像装置32包括第一红外探测单元20～第四红外探测单元23；

在一级冷冻仓1、二级冷冻仓2、一级加热仓3和二级加热仓4的仓盖上分别设置有第一红外观察窗24～第四红外观察窗27，第一红外探测单元20～第四红外探测单元23分别经第一红外观察窗24～第四红外观察窗27接收来自对应仓内的热辐射。

本实施例的太阳能半导体制冷制热装置还包括太阳能光电转换单元28、数控匹配单元29和储能单元30；

太阳能光电转换单元28用于通过数控匹配单元29为所述污泥冻融脱水系统的各个用电设备供电，以及为储能单元30充电；

数控匹配单元29用于使所述污泥冻融脱水系统的电能传输始终处于最佳匹配状态，并对储能单元30的过充、过放进行控制；

储能单元30用于在太阳能光电转换单元28无输出时为所述污泥冻融脱水系统的各个用电设备供电；

制冷制热时间控制装置31通过数控匹配单元29控制第一半导体制冷单元和第二半导体制冷单元的工作时间。

在本实施例中，太阳能光电转换单元28能够通过数控匹配单元29同时与第一半导体制冷单元、第二半导体制冷单元、电动机5、制冷制热时间控制装置31、温度数据采集单元18、温度数据显示单元19、红外热成像装置32和储能单元30构成电气回路。

储能单元30能够通过数控匹配单元29同时与第一半导体制冷单元、第二半导体制冷单元、电动机5、制冷制热时间控制装置31、温度数据采集单元18、温度数据显示单元19和红外热成像装置32构成电气回路。

本实施例的第一半导体制冷单元与数控匹配单元29正接，第二半导体制冷单元与数控匹配单元29反接。

在实际使用中，本实施例的太阳能光电转换单元28可以替换为风光互补发电设备。

在本实施例中，第一半导体制冷单元的冷端和热端以及第二半导体制冷单元的冷端和热端均采用强迫风冷的散热方式。

在一级冷冻仓1、二级冷冻仓2、一级加热仓3和二级加热仓4的内、外表面上均设置有保温隔热层；

第一固定板和第二固定板均为硬质保温隔热板；

第一红外观察窗24～第四红外观察窗27均采用保温隔热玻璃制成。

本实施例的第一半导体制冷单元包括两块半导体制冷组件33，两块半导体制冷组件33呈平铺状嵌设在第一固定板中。在半导体制冷组件33的冷端上依次设置有导热硅脂层、冷端散热器34和冷端风扇35，在半导体制冷组件33的热端上依次设置导热硅脂层、热端散热器36和热端风扇37。冷端散热器34和热端散热器36均通过固定螺栓固定在半导体制冷组件33上。冷端风扇35和热端风扇37用于强制散热。

本实施例的一级冷冻仓1、二级冷冻仓2、一级加热仓3、二级加热仓4和预处理仓采用一体化的结构设计，具体结构为：一级冷冻仓1、二级冷冻仓2、一级加热仓3、二级加热仓4均竖直设置在整体底板上，预处理仓水平设置在整体底板上。一级加热仓3和二级冷冻仓2分别位于整体底板的左前部和左后部。一级冷冻仓1位于一级加热仓3的右侧，并与其相对。二级加热仓4位于二级冷冻仓2的右侧，并与其相对。

在整体底板的底板上设置有行走机构。

本实施例所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统还包括臭气收集及净化装置，用于收集并净化污泥在冻融过程中产生的臭气。

本实施例所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统按照以下步骤对污泥进行冻融脱水：

步骤一、通过对待处理污泥进行取样得到试验污泥，并采用污泥预处理单元对添加有秸秆碎片、沸石颗粒、活性炭颗粒或者废铁屑的试验污泥进行搅拌，使试验污泥与添加物充分混合；

步骤二、将预处理后的试验污泥等体积分为第一批次试验污泥～第四批次试验污泥；

步骤三、依次采用二级冷冻仓2、一级加热仓3、二级加热仓4和一级冷冻仓1对第一批次试验污泥进行单次处理时间为t小时的循环式深度处理，直至第一批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第一批次试验污泥的最优处理次数；

步骤四、依次采用一级冷冻仓1、二级冷冻仓2、一级加热仓3和二级加热仓4对第二批次试验污泥进行单次处理时间为t小时的循环式深度处理，直至第二批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第二批次试验污泥的最优处理次数；

步骤五、依次采用一级加热仓3、二级加热仓4、一级冷冻仓1和二级冷冻仓2对第三批次试验污泥进行单次处理时间为t小时的循环式深度处理，直至第三批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第三批次试验污泥的最优处理次数；

步骤六、依次采用二级加热仓4、一级冷冻仓1、二级冷冻仓2和一级加热仓3对第四批次试验污泥进行单次处理时间为t小时的循环式深度处理，直至第四批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第四批次试验污泥的最优处理次数；

步骤七、取第一批次试验污泥～第四批次试验污泥的最优处理次数的平均值，并将向上取整后的平均值记为单批次污泥的最优处理次数；

步骤八、在余下的待处理污泥中取出与试验污泥等体积的污泥，在污泥中添加同种类、等质量的添加物，并采用污泥预处理单元对污泥进行搅拌，使污泥与添加物充分混合；

步骤九、将污泥等体积分为第一批次污泥～第四批次污泥；

步骤十、依次采用二级冷冻仓2、一级加热仓3、二级加热仓4和一级冷冻仓1对第一批次污泥进行循环式深度处理，依次采用一级冷冻仓1、二级冷冻仓2、一级加热仓3和二级加热仓4对第二批次污泥进行循环式深度处理，依次采用一级加热仓3、二级加热仓4、一级冷冻仓1和二级冷冻仓2对第三批次污泥进行循环式深度处理，依次采用二级加热仓4、一级冷冻仓1、二级冷冻仓2和一级加热仓3对第四批次污泥进行循环式深度处理；

四批次污泥的循环式深度处理同时进行，每批次污泥的单次处理时间均为t小时，每批次污泥的循环式深度处理的处理次数均为单批次污泥的最优处理次数。

本实施例所述的污泥冻融脱水方法在现有污泥冻融脱水方法的基础上增设了在污泥中添加秸秆碎片、沸石颗粒、活性炭颗粒或者废铁屑并使二者充分混合的预脱水环节。当污泥与添加物充分混合时，添加物不仅能够吸收污泥中的水分，而且能够增加污泥内部的孔隙，有利于空气进入，进而提高脱水率。

本实施例所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，结合本实施例所述的污泥冻融脱水方法，能够同时对多批次污泥进行循环冻融脱水，实现了污泥冻融脱水的集成化与规模化。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。