一种半连续接触冷冻型污/废水分离处理装置

1.本发明属于冷冻分离技术领域，特别是涉及一种半连续接触冷冻型污/废水分离处理装置。


背景技术：

2.水是人类社会存续和发展不可或缺的重要资源，中国是一个水资源严重短缺的国家，因此对于水的处理应尽量实现绿色且高效的过程。近年来随着城镇化和工业化的发展，水污染种类逐渐增多，污、废水水量也逐渐增大，使得水处理的难度与日俱增。
3.冷冻分离法作为一种有效的水处理方法，是利用水溶液在温度逐渐降低的冷冻场中，水分子相比于其它物质，更容易相变凝结成冰，并在分子重新排列的结晶过程中排斥异物杂质，形成纯净的冰和浓缩液的特性原理。其优势在于通过物理的相变过程，获得较纯净的冰，浓缩废水体积，且不需投加药剂，简化了操作流程，工艺效果能稳定在一个较高的水平，此外所产出的冰也可以有多种应用途径。
4.渐进冷冻法相比于悬浮结晶冷冻法等其他方法，其优越性更体现在该方法成冰为单一的层状结晶，凝结成冰过程更加可控，固液分离也更加容易，同时所需的设备也相对简单，成本低廉。
5.对于冷冻装置的构建，冰水分离、能量高效利用和冷冻处理效果一直是其中的关键问题。目前相关设计均属于间歇型工艺，且部分装置容易造成能量的损失，例如一种废水处理方法及系统(cn109110853a)，提出了一种将冷冻方法与蒸发方法相结合，虽然利用了设备产生的余热，但对温度较低的废水直接进行了加热，造成了低温能源的未能有效利用，一定程度上增加了设备运行成本。例如一种应用于废水的连续冷冻结晶分离系统(cn 205387483 u)，单独设置了冰晶洗涤装置，在增加了设备设置和运行的成本的同时，将部分冰晶再次引入结晶罐，容易造成水质的不稳定，且对工作的环境温度以及洗涤水温度有一定要求，容易影响出冰效率。此外，目前的思路在各个工艺阶段的续接通常包含着整体的冷
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热变化，又会进一步造成能源的浪费和处理速率的降低。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是，提供一种半连续接触冷冻型污/废水分离处理装置，对于冷冻分离方法和能量利用进行了重新设计，在充分利用余冷的情况下构建了较合理的半连续型冰水分离装置，能对废水进行绿色高效的处理。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种半连续接触冷冻型污/废水分离处理装置，在外壳里侧底部一侧设置有储冰箱、另一侧设置有对着储冰箱的缓冲坡，缓冲坡的下半部位于储冰箱中，冷冻箱设置在远离缓冲坡一侧的储冰箱的顶面上，在储冰箱和缓冲坡之间设置有封住储冰箱顶部的用于防尘和保温的可翻转板，可翻转板能引导上部掉下来的冰块进入储冰箱，与缓冲坡相对一侧的外壳外侧设置有与冷冻箱相通的浓废水出口和与储冰箱相通的冰水出口，外部进水预冷管经缓冲坡和储冰箱内部与冷冻箱相通；
8.在外壳里侧的冷冻箱正上方安装有履带，履带被三个转动辊约束，分隔成三个部分，其中一部分与冷冻箱平行并紧邻冷冻箱顶部，履带外侧等距设置有接触片，接触片能浸入冷冻箱一定长度，并能在附着一定量冰块的情况下从冷冻箱脱出；在履带围成的三角空间中设置有两个导冷床和一个传热床，第二导冷床位于与冷冻箱紧邻并平行的履带部分的内侧位置，第一导冷床与传热床在履带另外两个部分的内侧，使履带在运转过程中，接触片能经过第一导冷床预冷、第二导冷床冷冻，再通过传热床加热实现脱冰，并且传热床对应位置的履带倾斜位于缓冲坡和可翻转板的上方；
9.在第一导冷床对应的履带外侧设有对接触片进行清洁的净水喷淋管，第一导冷床、第二导冷床和一个传热床分别安装在垂直于水平设置履带段的滑道上，第二导冷床和一个传热床之间通过传动杆连接，在履带围成的三角空间中设置有椭圆传动轴，椭圆传动轴的外侧设置有一对分别连接到第一导冷床和第二导冷床上的钢片，使椭圆传动轴转动时，挤压钢片张开推动第一导冷床、第二导冷床在滑道上运动并与履带紧密接触，同时带动传动杆使传热床在滑道上运动也与履带紧密接触。
10.所述三个转动辊至少有一个为弹性连接在装置的外壳或结构支架上，其他两个为刚性固定。
11.所述第一导冷床、第二导冷床、传热床与履带相接触的底面采用高导热系数的材料，其他表面采用低导热系数的材料。
12.所述外壳外部设置有压缩机组和冷媒箱，冷媒通过换热软管输入第一导冷床、第二导冷床并进行循环，传热床中包含电热丝来实现升温控制。
13.所述第一导冷床、第二导冷床采用环境作为冷源，传热床中包含电热丝来实现升温控制。
14.所述接触片采用高导热系数的材料，接触片在履带上多排多列间隔参差设置。
15.所述冷冻箱与履带间安装有弹性的单向开合保温挡板。
16.所述净水喷淋管外侧安装有可升降的密封罩。
17.在冷冻箱内的一侧安装有搅拌装置。
18.本发明的有益效果是：
19.1、本发明的半连续接触冷冻处理废水的分离装置，将“预冷”、“冷冻”、“脱冰”流程高度集成，在基于冷冻分离原理提高处理效果的基础上，使装置能效比更高，运行成本低廉，同时设备简单可靠，操作简便灵活，易于复制和扩大规模。
20.2、装置实现半连续运转，持续处理能力强，且单次产生冰的效率较高，冷冻一次成冰的体积可达到冷冻箱中总水量的60％，污废水可经过多次处理浓缩，再进行排出集中解决。所产出的冰块既能够对污废水进行预冷，或直接存储，有效地保证了能源的循环利用；也可以出售给冷链和冷库，创造价值。
21.3、经装置处理后的出水水质在cod、toc、无机盐和重金属离子的去除率上均有较好的表现，当原污废水中的杂质浓度低于1g/l时，装置的去除效果能达到95％；当原污废水中的杂质浓度高于5g/l时，装置的去除效果能达到60％，并且可通过调节装置参数来对废水种类和体积进行针对性处理。
22.4、在部分寒冷的地区和季节，可以采用环境作为冷源代替压缩机组，进一步减少能耗。
附图说明
23.图1为本发明的半连续接触冷冻型污/废水分离处理装置结构示意图。
24.图2a为本发明的半连续接触冷冻型污/废水分离处理装置的椭圆传动轴的未传动时的示意图。
25.图2b为本发明的半连续接触冷冻型污/废水分离处理装置的椭圆传动轴的传动时的示意图。
26.图3为本发明的半连续接触冷冻型污/废水分离处理装置的履带和接触片的相对位置示意图。
27.图4为采用本发明的装置对于污/废水处理前后污染物浓度变化图。
28.图5为采用本发明的装置对于污/废水处理前后污染物去除率图。
29.图中：1密封罩，2净水喷淋管，3
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1第一导冷床、3
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2第二导冷床，4转动辊，5换热软管，6冷媒箱，7压缩机组，8冷冻箱，9浓废水出口，10冰水出口11履带，12滑道，13接触片，14传热床，15传动杆，16钢片，17椭圆传动轴，18保温挡板，19搅拌装置，20翻转板，21缓冲坡，22储冰箱，23进水预冷管，24外壳。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.如图1
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3所示，本发明的半连续接触冷冻型污/废水分离处理装置，在外壳24里侧底部一侧设置有储冰箱22、另一侧设置有对着储冰箱的缓冲坡21，缓冲坡21的下半部位于储冰箱22中，冷冻箱8设置在远离缓冲坡21一侧的储冰箱22的顶面上，在储冰箱22和缓冲坡21之间设置有封住储冰箱22顶部的用于防尘和保温的可翻转板20，可翻转板20能引导上部掉下来的冰块进入储冰箱22，与缓冲坡21相对一侧的外壳24外侧设置有与冷冻箱8相通的浓废水出口9和与储冰箱22相通的冰水出口10，外部进水预冷管23经缓冲坡21和储冰箱22内部与冷冻箱8相通；
34.在外壳里侧的冷冻箱8正上方安装有履带11，履带11被三个转动辊4约束，分隔成三个部分，其中一部分与冷冻箱8平行并紧邻冷冻箱8顶部，履带11外侧等距设置有接触片
13，接触片13能浸入冷冻箱一定长度，并能在附着一定量冰块的情况下从冷冻箱8脱出；在履带11围成的三角空间中设置有两个导冷床和一个传热床，第二导冷床3
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2位于与冷冻箱8紧邻并平行的履带11部分的内侧位置，第一导冷床3
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1与传热床14在履带11另外两个部分的内侧，使履带11在运转过程中，接触片能经过第一导冷床3
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1预冷、第二导冷床3
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2冷冻，再通过传热床14加热实现脱冰，并且传热床14对应位置的履带倾斜位于缓冲坡21和可翻转板20的上方；
35.在第一导冷床3
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1对应的履带11外侧设有对接触片13进行清洁的净水喷淋管2，第一导冷床3
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1、第二导冷床3
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2和一个传热床14分别安装在垂直于水平设置履带段的滑道12上，第二导冷床3
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2和一个传热床14之间通过传动杆15连接，在履带11围成的三角空间中设置有椭圆传动轴17，椭圆传动轴17的外侧设置有一对分别连接到第一导冷床3
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1和第二导冷床3
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2上的钢片16，使椭圆传动轴17转动时，挤压钢片16张开推动第一导冷床3
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1、第二导冷床3
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2在滑道12上运动并与履带11紧密接触，同时带动传动杆15使传热床14在滑道12上运动也与履带11紧密接触。
36.所述三个转动辊4至少有一个为弹性连接在装置的外壳24或结构支架上，其他两个为刚性固定。
37.所述第一导冷床3
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1、第二导冷床3
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2、传热床14与履带11相接触的底面采用高导热系数的材料，其他表面采用低导热系数的材料。
38.所述外壳24外部设置有压缩机组7和冷媒箱6，冷媒通过换热软管5输入第一导冷床3
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1、第二导冷床3
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2并进行循环，传热床14中包含电热丝来实现升温控制。
39.所述第一导冷床3
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1、第二导冷床3
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2采用环境作为冷源，传热床14中包含电热丝来实现升温控制。
40.所述接触片13采用高导热系数的材料，接触片在履带11上多排多列间隔参差设置。
41.所述冷冻箱8与履带11间安装有弹性的单向开合保温挡板17。
42.所述净水喷淋管2外侧安装有可升降的密封罩1。
43.在冷冻箱8内的一侧安装有搅拌装置19。
44.具体地说，冷冻箱8正下方设置有储冰箱22；浓废水出口9和冰水出口10分别设置在冷冻箱8和储冰箱22的一侧，缓冲坡21固定在另一侧，二者连接处设置有翻转板20；进水预冷管23经缓冲坡21和储冰箱22与冷冻箱8相接，废水在储冰箱22预冷后再进入冷冻箱8，搅拌装置19安装在冷冻箱8内的一侧。履带11安装在冷冻箱8正上方，其间安装有弹性的单向开合保温挡板17。履带被三个转动辊4约束，分隔成三个部分，其中一个部分与冷冻箱8平行；履带11外侧等距设置有垂直的接触片13；两个导冷床3
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1、3
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2与一个传热床14均安装在垂直于水平设置履带段(即垂直于地面和冷冻箱8)的滑道12上，位于履带11的内侧，其中第二导冷床3
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2在与冷冻箱8平行位置，第一导冷床3
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1与传热床14分别在履带11运转方向的前段和后段。装置的三个转动辊4至少有一个为弹性连接在装置的外壳24或结构支架上，其他为刚性固定。
45.接触片13均采用高导热系数的铝和铝合金材料，接触片在履带11上间隔参差设置，履带上与接触片相连的部分采用同样材料，其他不与接触片13相连的部分采用低导热系数的工程塑料。此外，导冷床和传热床14，与履带相接触的底面也采用高导热系数的铝和
铝合金材料，其他表面采用低导热系数的发泡聚氨酯材料；外壳24外部设置有压缩机组7制冷下的冷媒箱6，冷媒通过换热软管5输入导冷床并进行循环，实现降温控制；传热床14中包含电热丝来实现升温控制。
46.椭圆传动轴17转动到竖直位置时挤压钢片16时，使其扩展开，带动传动杆15，进一步推动导冷床和传热床14在滑道12上运动并与履带11紧密接触；当椭圆传动轴恢复水平位置时，钢片16恢复到原始位置并被锁定，传动杆、导冷床和传热床也随之恢复到原始位置，并与履带11分离，实现上抬与下压过程。
47.装置的运行主要通过“预冷”、“冷冻”、“脱冰”三个流程实现废水的处理，第一导冷床3
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1对应的履带11外侧设有净水喷淋管2，其外侧安装有可升降的密封罩1。当密封罩1降下，导冷床和传热床14与履带11接触时，位于第一导冷床3
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1、密封罩1内部的部分接触片13，进行“预冷”过程，在净水喷淋管2的喷淋下清洗，并在表面形成洁净冰层。位于冷冻箱8中的部分接触片13，进行“冷冻”过程，接受第二导冷床3
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2传递的低温，进而在表面洁净冰层的基础上进一步生长凝结，实现对冷冻箱8中的污废水分离处理。位于传热床14处的部分接触片13，会吸收传热床传递来的热量，进行“脱冰”过程，融化掉落的冰块通过缓冲坡21、翻转板20，进入储冰箱22。
48.此后，密封罩1升起，椭圆传动轴17旋转，导冷床和传热床14与履带11分离，履带的运行使“预冷”后的接触片进入冷冻箱8中，“冷冻”完成的接触片13到达“脱冰”位置，“脱冰”完成的接触片来到密封罩1和净水喷淋管2的正下方。随着密封罩1降下，导冷床和传热床14与履带11接触，开始了新一轮的“预冷”、“冷冻”、“脱冰”流程。其中弹性连接的转动辊4会在导冷床和传热床的上抬和下压作用下，增加接触片伸入冷冻箱的长度，并保证各部件之间的导热性和密封性。如此，装置反复进行“预冷”、“冷冻”、“脱冰”流程，实现半连续的高效分离处理。
49.缓冲坡用以缓冲冰块掉落对装置产生的冲击作用，引导冰块进入储冰箱，二者连接处设置有翻转板，进行防尘和保温；进水预冷管经缓冲坡和储冰箱与冷冻箱相接，废水可在储冰箱预冷后再进入冷冻箱，履带安装在冷冻箱正上方，并被三个转动辊约束，分隔成三个部分，其中一个部分与冷冻箱平行；履带外侧等距设置有接触片，能浸入冷冻箱一定长度，而且可以在附着一定量冰块的情况下从冷冻箱脱出。
50.2个导冷床与一个传热床，其中一个导冷床在与冷冻箱平行的履带部分的内侧位置，另一个导冷床与传热床在履带另外2个部分的内侧，其相对位置保证履带在运转过程中，接触片经过2个导冷床先后完成预冷和冷冻后，再通过传热床加热脱冰；在起预冷作用的导冷床对应的履带外侧设有净水喷淋管，对接触片进行清洁的同时附着部分净水，帮助其在进入冷冻箱之前，表面形成洁净的冰晶层，从而提高成冰的洁净程度，保证废水的处理效果；净水喷淋管外侧安装能够升降的密封罩，当冷冻过程发生时，密封罩下降提高预冷效果，冷冻结束后升起，不影响履带的运转。
51.椭圆传动轴转动到一定位置，例如从水平位置的锁定状态转动到竖直位置时，挤压钢片扩展开，带动传动杆，进一步推动导冷床和传热床在滑道上运动，使其与履带紧密接触，实现温度传导，当椭圆传动轴恢复时，钢片恢复到原始位置，传动杆、导冷床和传热床也随之恢复到原始位置，并与履带分离。三个转动辊中至少有一个为弹性连接，当椭圆传动轴转动，使传动杆、导冷床和传热床发生位移时，履带能够相应实现更大的形变，提高与导冷
床和传热床贴合度、同时可增加接触片伸入冷冻箱的长度，保证冷冻凝结效果。
52.履带上与接触片相连的部分采用高导热系数的材料，其它不与接触片相连的部分采用低导热系数的材料，在一定程度上减少能量散失。接触片同样均采用高导热系数的材料，并可在履带上间隔参差设置，防止冰晶在接触片上凝结过大，便于冰块及时融化掉落，同时减轻制冰时履带的负担。
53.装置的冷冻箱与履带间安装有弹性的单向开合保温挡板，当冷冻箱中的接触片进行制冰时，保温挡板可将履带与冷冻箱密封，减少能量损失并达到防尘的作用；冷冻结束后，保温挡板随履带运动而打开；在缓冲坡与冷冻箱之间设置翻转保温挡板，能在冰块顺利进入储冰箱的同时极大程度的对储冰箱中的冰进行保温。
54.本发明基于渐进冷冻分离原理，将冷冻分离法与履带的循环行进运动有机结合，通过预冷、冷冻和融化分离三个阶段对废水进行冷冻分离处理，废水在接触片上进行结晶后再经过履带的转移，能分离出洁净的冰，其中冰块可以存储或实现余冷的再利用，再将冰块融化得到的较洁净的水放出。通过对履带、转动辊、进水预冷管、冰水出口、浓废水出口、导冷床、传热床的控制，易于实现自动进水、冷冻以及收集的功能。结构简单稳定，并能有效解决废水处理过程中的冰水分离问题，对不同种类废水均有很强的适应性，尤其对难处理的无机盐和易挥发的小分子有机物，并可以根据废水的种类调整设备参数，具有较强适应性，可广泛应用于水处理的多个领域，具有广阔的发展前景。
55.本发明的装置产水效率和溶解性物质的去除率较高，处理效果如图4、5和表1所示。当原污废水中的溶质分别为硫酸钠和葡萄糖且浓度低于1g/l时，经过一次处理过程后，装置对于硫酸根离子和葡萄糖中cod的去除效果能达到95％左右，并能将污废水体积减少约60％。
56.表1为装置对于溶液中溶质的处理数据
57.污染物种类处理前(mg/l)处理后(mg/l)去除率(％)硫酸根离子4602095.65％葡萄糖(cod)137.848.4293.89％实际废水(硫酸根离子)73.87.1590.68％实际废水(cod)201.843085.14％
58.在mvr冷凝废水的处理中，采用离子色谱和重铬酸钾氧化法分别对出水中硫酸根离子浓度和cod进行检测，其中出水中硫酸根离子的去除率为90％左右，cod的去除率约为85％。污废水可经过多次处理浓缩，再进行排出集中解决。所产出的冰，不仅可以用于污废水的预冷，还可以出售给冷链和冷库，创造价值。
59.综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。