倒库法污水冷冻净化系统及净化方法与流程

本发明属于污水水质净化技术领域，具体涉及一种倒库法污水冷冻净化系统及净化方法。

背景技术：

在我国广大的西北寒旱地区，很多耕地只能依靠常规处理达标后的城镇生活污水和工业废水作为补充灌溉水源，并为此建有大量季节性调蓄污水库。这种达标污水中仍然含有较高污染物和盐，通过逐年灌溉累积作用，不仅污染耕地，降低农作物品质，影响食用人群的健康，而且导致土壤盐渍化加重，加快耕地土壤退化，产量降低。部分地区为了减轻土壤的盐渍化程度，采用大水漫灌方式。这种漫灌方式的缺陷在于水量浪费大、土壤及其中养分流失严重、灌溉尾水盐分提高。对于特别干旱的地区因无足够的水漫灌，只能眼睁睁看着土壤盐渍化逐年加重。

现有一系列污水深度处理和淡化技术日臻成熟，但这些技术的共性问题表现在：对于农业灌溉而言，处理量小、成本高、工艺设备复杂，无法广泛适用于农业生产。同样，随着工业化和人们生活水平的提高，沿海地区对低成本海水淡化技术的追求，一直困扰着业内技术人员，至今没有找到克服蒸发和发渗透技术高成本的技术障碍。

用冷冻法进行污水净化分离与咸水淡化的实验室研究较多，分离效果能达到80％以上，水在结晶净化机理已经明晰，为工程化应用奠定了可靠的基础。一些文献还介绍了多种具体冷冻方法，如“一种连续式冷冻法海水淡化方法及其特性分析”一文(刘冬雪，《能源工程》，2007年第四期)中，提出了“基于界面渐进原理的连续式冷冻法海水淡化方法”；此外，该文还介绍了很多学者开发的自然冷冻法和人工冷冻法的研究成果，其优点是单位空间的淡化负荷高、分离效率高，缺点在于机械装置较多、运行复杂、能量消耗大，故至今没有工程化应用。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种倒库法污水冷冻净化系统及净化方法。本发明利用西北寒旱地区的冬季寒冷、春夏缺水、地域广阔、人烟稀少的特殊环境条件，基于结冰净化同时达到了去污除盐的双重技术效果。

本发明所提供的倒库法污水冷冻净化系统包括污水储净系统、倒库泵组、结冰净化系统、返库泵组、晒盐调湿系统及灌溉泵组；所述污水储净系统经所述倒库泵组与所述结冰净化系统相连，所述结冰净化库系统经所述返库泵组与所述污水储净系统相连，所述返库泵的出口与所述晒盐调湿系统相连，所述结冰净化系统经所述灌溉泵组与耕地灌溉系统相连。

所述污水储净系统包括污水库1、污水渠2及挡泥墙5，所述污水排放水源经所述污水渠2与所述污水库1的进口相连，在所述污水库1的出库末端的倒库进水管6吸口处设吸水坑，所述吸水坑四周设置所述挡泥墙5。污水库1的进口通过污水渠2与污水排放水源相连，与出水口对峙，有利于发挥库区水体的自净作用；库底尽量整平，以方便进行泥水扰动和清淤机械作业，提高作业效果；出库末端的倒库进水管6吸口处局部挖深设吸水坑，吸水坑周边设挡泥墙5，污泥4沉降在挡泥墙5以外，以免污水库松软的淤泥被抽到结冰净化库11，向洁净冰融化水中释放污染物。

所述倒库泵组包括倒库进水管6、倒库进水阀7、倒库泵8、倒库出水阀9及倒库出水管10，所述倒库进水管6的进水喇叭口接自所述污水库1的出库末端吸水坑，有利于抽空污水库1的污水，提高污水利用率，便于沥干污泥4进行机械清除；所述倒库进水管6穿过所述污水库1的堤坝经所述倒库进水阀7后接所述倒库泵8的吸水口，所述倒库泵8的出口接所述倒库出水阀9，所述倒库出水阀9经倒库出水管10与所述结冰净化系统中的结冰净化库11的进口端相连，当启动倒库泵8可将污水库1中的污水3提升至结冰净化库11，通过一次倒库实现泥水分离。

所述结冰净化系统包括结冰净化库11，所述结冰净化库11的进口经所述倒库出水管10通过所述倒库泵组与所述污水库1末端相连，所述结冰净化库11的出口与灌溉进水管19相连；利用冬季低温寒流缓慢冷冻，上层冰层逐渐加厚为洁净的冰12层，下层为浓缩后的高污染高盐的净化浓水13层，实现污染物和盐与洁净水的分层。

所述返库泵组包括返库进水管14、返库进水阀15、返库泵16、返库出水阀17、返库出水管18、所述倒库出水管10及所述倒库进水管6，所述倒库出水管10穿越所述结冰净化库11的堤坝后与所述返库进水管14相连，所述返库进水管14上设置所述返库进水阀15，所述返库进水阀15与所述返库泵16的吸水口相连，所述返库泵16的出口一路设置所述返库出水阀17，所述返库出水阀17经所述返库出水管18接所述倒库进水管6后再与所述污水库1相连；在春季到来前，通过运行返库泵16将冰层下的浓水打回污水库1，经二次倒库实现洁净水与污染物和盐的分离。

所述晒盐调湿系统包括第一晒盐水管22、晒盐阀23、晒盐调湿库24、第二晒盐水管(28)、挡盐墙27、晒盐水泵29、第三晒盐水管30，所述返库泵16出口另一路接所述第一晒盐水管22，所述第一晒盐水管22上设有所述晒盐阀23，所述第一晒盐水管22接入所述晒盐调湿库24，库内上层为晒盐浓水25，下层为盐26，经部分高浓度浓水分流晒盐，可以限制污水库1中的盐浓度过高而影响结冰净化效果；晒盐调湿库24库底尽量整平，便于盐的收集清理；所述晒盐调湿库24出库末端的第二晒盐水管28吸口处局部挖深，周边设有所述挡盐墙27，所述晒盐调湿库24出库末端设有所述第二晒盐水管28，所述第二晒盐水管28穿越所述晒盐调湿库24堤坝与所述晒盐水泵29的吸水口相连，所述晒盐水泵29的出口与所述第三晒盐水管30相连后再接入所述结冰净化库11，可在进行库底盐26清除前排空库中晒盐浓水25。

所述灌溉泵组包括所述结冰净化库11、灌溉进水管19、灌溉泵20及灌溉出水管21，所述结冰净化库11的末端接所述灌溉进水管19，所述灌溉进水管19穿越所述结冰净化库11堤坝的下部后与所述灌溉泵20的吸水口相连，所述灌溉泵20的出口接所述灌溉出水管21，所述灌溉出水管21与耕地灌溉系统相连，将融化的洁净冰水用于灌溉或回用。

本发明同时提供一种倒库法污水冷冻净化系统的净化方法，该方法的具体步骤如下：

(1)泥水扰动净化：夏季对所述污水库1的污水3和污泥4进行15～20天的反复扰动，通过沉降上浮的交替厌氧和好氧作用，降低所述污水3和所述污泥4中的污染物浓度。本发明试验表明，进行15～20天的泥水扰动作用，可以很好地同步降低污泥和污水3的污染，促进结冰净化效率，减轻污泥4二次污染。

(2)污水倒库：冰冻期到来前，关闭所述返库进水阀15和所述返库出水阀17，打开所述倒库进水阀7和所述倒库出水阀9，启动所述倒库泵8，将经静止沉降后所述污水库1中的污水3送入所述结冰净化库11，所述挡泥墙5用于挡住所述污泥4，冬季污水经临时输水明渠将入库水引入倒库泵8吸水口。

(3)结冰净化除盐：进入所述结冰净化库11内的污水在冬季寒冷的气温下自然缓慢结成上层洁净低盐的冰12，所述倒库泵8继续将冬季污水继续送入所述结冰净化库11与其中的高污染高盐的净化浓水13混合，参与结冰净化除盐。

(4)旁流清库：当所述污水库1中的污水3抽空后，由从所述污水库1的污水渠2向所述倒库进水管6进口处，用推土机或其它工程机械推出旁流污水沟，待所述污泥4经沥水干化后，用推土机等工程机械清除污水库1内污泥4，提高库容，减轻内源污染。

(5)浓水返库：临近春季前，关闭所述倒库进水阀7和所述倒库出水阀9，停止所述倒库泵8，打开所述返库进水阀15和所述返库出水阀17，启动所述返库泵16，将所述结冰净化库11下层的高污染高盐的净化浓水13一部分倒回所述污水库1，避免洁净冰融化后与下层浓水混合。

(6)融化灌溉：进入春季，所述结冰净化库11内上层洁净低盐的冰12融化成水，根据需要通过所述灌溉进水管19、所述灌溉泵20和所述灌溉出水管21外送灌溉耕地。

(7)浓缩晒盐：打开所述晒盐阀23经第一晒盐水管22将另一部分所述结冰净化库11下层的高污染高盐的净化浓水13送入所述晒盐调湿库24，经夏季阳光暴晒和干热空气吹扫，蒸发的水蒸气提高周边环境湿度，减轻周边土壤蒸发，增加所述晒盐调湿库24内上层的晒盐浓水25的浓度，在所述晒盐调湿库24底部结晶成盐26，所述盐26达到一定厚度后，经所述第二晒盐水管28启动所述晒盐水泵29将所述晒盐浓水25倒回灌溉后空置的所述结冰净化库11，再铲除所述晒盐调湿库24库底的所述盐26进行外运。

(8)盐库造海：当所述晒盐调湿库24中的浓水盐度接近海水浓度时，引进海洋生物，稳定浓水海洋生态环境和自净能力，营造内陆海洋景观。

(9)下一年度依次按上述步骤进行下一轮净化操作。

本发明提供的倒库法污水冷冻净化系统使用方法包括由污水储净系统经倒库泵组与结冰净化系统相连，可实现将污水库中的污水送入库底洁净的结冰净化库，达到泥水的一次分离，避免底泥污染物的释放二次污染；结冰净化系统经返库泵组与污水储净系统相连，可实现结冰净化库上浮冰下的浓水反向倒回污水库，实现洁净冰与冰下富含污染物和盐的浓水二次分离，从而获取低盐洁净水；结冰净化系统经灌溉泵组与耕地灌溉系统相连，目的在于抽去浓水后，将洁净的浮冰融化水送入灌溉系统，实现本发明的主功能；返库泵出口还与晒盐调湿系统相连，目的在于经过多次倒库后，污水库中的污染物可以通过扰动、清淤等措施降低，但水中的盐分浓度会逐步升高，将会对保持结冰净化操作效果带来负面影响，为此，抽出一部分浓水进行晒盐，兼具调节周边空气湿度，提高居住环境质量。

本发明的优点在于：充分利用寒旱地区的自然条件，采用三库连用互倒的污水冷冻净化系统及净化方法，用于将处理后达标排放的城镇生活污水处理厂、工业废水经自然冷却进行水质净化和除盐，用于改善灌溉用水品质，降低海水淡化成本，具有工程造价低、结构简单、操作方便，尤其运行成本低廉、无二次污染的显著技术优势。

附图说明：

图1为本发明倒库法污水冷冻净化系统结构示意图。

图中：1：污水库；2：污水渠；3：污水；4：污泥；5：挡泥墙；6：倒库进水管；7：倒库进水阀；8：倒库泵；9：倒库出水阀；10：倒库出水管；11：结冰净化库；12：冰；13：净化浓水；14：返库进水管；15：返库进水阀；16：返库泵；17：返库出水阀；18：返库出水管；19：灌溉进水管；20：灌溉泵；21：灌溉出水管；22：第一晒盐水管；23：晒盐阀；24：晒盐调湿库；25：晒盐浓水；26：盐；27：挡盐墙；28：第二晒盐水管；29：晒盐水泵；30：第三晒盐水管。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效做进一步述。

实施例1：污水净化淡化。

以新疆石河子市的蘑菇湖为例。该湖一座大型引水注入式平原水库，主要拦蓄玛河洪水及冬闲河水，又是石河子市的纳污水库，多年以来，石河子市的城镇生活污水、工业污水以及周边农田排水等都源源不断的进入到蘑菇湖水库。水库水质为劣ⅴ类，预测2020年进入蘑菇湖水库的水量共37187.0万m³。其中地表水水量16771.0万m³/年，污水水量20416万m³/年，蓄水面积27.84km²蘑菇湖东边依次有夹河子水库、大海子水库、大湾子水库、下桥子水库。

具体实施时，可以将蘑菇湖作为污水库1，大海子水库作为结冰净化库11，利用大湾子水库作为或靠近城区新建一座晒盐调湿库24。按图一所示系统关系，靠近污水库1东北角建倒库泵8，靠近结冰净化库11西北角建返库泵16和连接结冰净化水库11的污水管，旁路接入晒盐调湿库24，在结冰净化库11北侧下游建灌溉泵20，在晒盐调湿库下游建晒盐水泵29及其管路。夏季对污水库1进行泥水扰动净化操作，降低污水库1中底泥和污水的污染指标。

入冬前，启动倒库泵8开始将污水库1的污水抽至结冰净化库11，进行冬季结冰净化。待污水库1逐步露出湖底，就用挖掘机自污水渠向东北角倒库泵吸水口挖出一条临时污水汇流水系，对进库污水进行导流，对库底底泥进行冷冻和沥干，以便采用机械清淤。

入冬后，污水库1的污水在结冰净化库11内进行自然结冰净化，水位升高逐渐抬升浮冰。

开春前，停止倒库泵8，关闭前后阀门；打开返库进水阀15，启动返库泵16，打开返库出水阀17和晒盐阀23，分别向污水库1和晒盐调湿库24送浓水。

春耕后，启动灌溉泵20向现有灌溉渠道输水浇灌耕地。

浓水进入晒盐调湿库24后，进行蒸发调节周边空气湿度，浓缩晒盐调湿库中盐水浓度，进行海洋动植物移植，局部进行浓水结晶成盐。

经过一个冬季倒库运行，若按通常水库结冰厚度0.5～1.0米，按5个月计算，可制取优质洁净低盐淡化水1350～2700万吨，相当于每天9～18万吨的再生水厂或淡化水厂的产水规模，连续正常运行的产水总量，而投资和吨水运行成本仅仅是十分之一二，效益十分显著。不足之处，在于本发明不适应于无低价建库土地的南方地区。

实施例2：海水淡化晒盐。

(1)海水入库：将海洋视同污水库1，冰冻期到来前，关闭返库进水阀15和返库出水阀17，打开倒库进水阀7和倒库出水阀9，启动倒库泵8，将污水3(即海水)送入结冰净化库11。

(2)结冰除盐：结冰净化库内的污水3在冬季寒冷的气温下自然缓慢结成上层洁净低盐的冰12，冬季，倒库泵8继续将污水3送入结冰净化库11与其下层的净化浓水13混合，顶托冰，参与结冰除盐，为有利于晒盐，达到一定浓度后即关闭倒库进水阀7停止送水。

(3)浓水返海：临近开春前，打开返库进水阀15和返库出水阀17，启动返库泵16，当结冰净化库11高程较大时，可省去启动返库泵16和返库出水阀17；将结冰净化库11下层的净化浓水13抽至晒盐调湿库24。

(4)融化取水：开春后，结冰净化库11内的低盐洁净的冰12融化成水，再根据需要通过灌溉进水管、灌溉泵20和灌溉出水管21外送至淡化水用户。

(5)浓缩晒盐：经夏季阳光暴晒和干热空气吹扫等表面蒸发作用，在晒盐调湿库24底部结晶成盐26，盐26达到一定厚度后，经第二晒盐水管28启动晒盐水泵29将晒盐浓水25送回大海，再铲除晒盐调湿库24库底的盐26外运。

(6)下一年度依次按上述步骤进行下一轮净化操作，达到海水淡化和晒盐双重功效。