CN108439517B - 一种利用天然冷能净化污染水体的冻结装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用天然冷能净化污染水体的冻结装置与方法，通过在寒区建立下沉式污水处理箱体，箱体分割成大小相同的隔间并增设可视窗口，在每个隔间中心分别固定热棒，基于冰的自净功能，充分利用自然冷能处理污染水体。根据污染水体特征信息及寒区冬季负温特征，确定最佳热棒工作参数。当天然冷能不足时，在箱体顶部施加人工冷源。该方法充分利用外部自然冷能自热棒中心向外冻结污染水体，随着冻结锋面不断迁移，水相变析出污染物，实现了水体和污染物的分离。当热棒停止工作时，抽出热棒去除热棒周冰体，进一步补充待处理污染水体，重新插入热棒继续冻结过程。同时在箱体容器底部设置排水口，高浓度的污染水体可随排水通道流出并集中处理。

Description

一种利用天然冷能净化污染水体的冻结装置与方法

技术领域

本发明涉及水体污染处理技术领域，具体涉及一种可以用于食品溶液的浓缩，药品提纯等领域的通过热棒利用天然冷能净化污染水体的冻结装置与方法。

背景技术

水体污染是指排入水体的污染物在数量上超过了该物质在水体中的本底含量和自净能力即水体的环境容量，破坏了水中固有的生态系统，破坏了水体的功能及其在人类生活和生产中的作用。降低了水体的使用价值和功能的现象。目前我国不仅一直受水资源短缺的困扰，还面临着水污染日益严重、水环境持续恶化的威胁，生活污水、工业废水及其他污染物未经处理而大量排放，对河流、湖泊、水库、地下水和海洋水资源造成污染，严重违纪到国民健康、社会生产和生活，阻碍了城市化和工业化的进程，甚至威胁到国家安全和社会的可持续发展。

中国是现今世界13个缺水国家之一，全国600多个城市中有大约一半的城市缺水，水污染使水质的恶化更使水短缺雪上加霜。有资料显示：我国江河湖泊普遍遭受污染，全国75％的湖泊出现了不同程度的富营养化，90％的城市水系污染严重，南方城市总缺水量60％～70％是由于水污染造成的；对我国118个大中城市的地下水调查显示，有11个城市地下水受到污染，其中重度污染约占40％。水污染降低了水体的使用功能，加剧了水资源短缺。以上这些对我国可持续成长战略的实施带来了负面影响。城市污水处理设施所采用的污水处理技术是污水处理效率高低的决定因素。目前，我国污水净化和处理技术相对落后，大多数的污水处理设备都是从国外进口，一旦设备出现故障，维修成本很高。国产化的设备又存在污水处理效率不高、能耗高，自动化程度低，运行费用高等缺点。因此，亟需一种能大规模应用的、处理效率高的污水净化处理的方法。

发明内容

技术问题：发明的目的是针对现有技术中的不足之处，提供一种处理污染水体经济、高效、环保、能够大面积使用的更为环保的天然冷能净化污染水体的冻结装置与方法。

技术方案：本发明的利用天然冷能净化污染水体的冻结装置，包括：污染水体容器、污水处理箱体容器、高浓度污染水体收集容器和人工冷能控制系统四个部分；所述的污染水体处理箱体容器周围铺设有聚苯乙烯保温层，污水处理箱体容器内设有将其分割为多个独立单一隔间的隔板，所述隔板的高度小于污水处理箱体容器的高度，使污水处理箱体容器上部留有冷量循环空间；每个独立单一隔间上均设有可视窗口，每单一隔间中心插有热棒，在污水处理箱体容器的侧壁及热棒的上设有进行实时温度监测的温度传感器，污水处理箱体容器的顶部设有保温板，保温板上设有一端插入污水处理箱体容器内的人工冷能供给管路和人工冷能返回管路，人工冷能供给管路和人工冷能返回管路的另一端分别与人工冷能控制系统相连，污水处理箱体容器的底座中部设有排出高浓度污染水的通道，通道口处连有与高浓度污染水体收集容器相连的高浓度污染水体收集导管，所述污染水体容器内插装有与污水处理箱体容器进水口相连的由污染水导管。

所述的污染水导管上设有开关阀门。

所述的高浓度污染水体收集导管上设有压力安全阀。

所述污染水体处理箱体容器的单一隔间边长为180～250cm。

所述隔板的高度距离污染水体处理箱体容器高度的间隔距离为20-50cm。

实施上述装置的利用天然冷能净化污染水体的冻结方法：将污染水经由污染水体导管送入污染水体处理箱体容器内，并分布在多个独立的单一隔间内，当外界温度低于待处理污染水体的温度，热棒开始工作，充分利用外部自然冷能从热棒中心向外冻结污染水体，完成净化污染水体的冻结驱替，在冻结驱替过程中，由置于污染水体处理箱体容器侧壁及热棒外侧壁上的温度传感器实时对污染水体的温度进行监测，并透过可视窗口直观观测水体冻结过程，实时调整冻结温度，控制冻结锋面推进速率。

在外部冷源不足以提供污染水体冻结所需冷量时，通过人工冷能控制系统从污水处理箱体容器顶部的保温板内施加人工冷源，冷能通过人工冷能供给管路及人工冷能返回管路输送，对待处理污染水进行冻结，由于水变成冰体积膨胀，未冻结的高浓度污染水体压力增大，压力作用下高浓度污染水体从污染水体处理箱体容器底座通道析出，通过压力安全阀经高浓度污染水体收集导管流入高浓度污染水体收集容器，集中处理。

当热棒周围冻结水体温度低于外部温度时，热棒停止工作，抽出热棒并去除箱体内部冻结冰体，完成一次净化污染水体的冻结过程，周而复始，继续补充待处理污染水体，重新插入热棒继续冻结，完成多次净化污染水体的冻结过程。

所述的热棒的半径Ф为6～11cm，根据污染水体的特征信息和寒区冬季负温特征选择热棒结构尺寸参数。

所述人工冷能控制系统的功率依据污染水体的体积、冻结温度和冻结锋面推进速率共同决定，冻结温度选择为-5～-20℃，冻结锋面推进速率控制在2～5厘米/天。

有益效果：采用上述技术方案，本发明利用冻结过程水结冰自净化原理，利用绿色无污染的天然冷能，借助热棒冻结技术，在箱体容器外壁增加可视窗口，结合温度监测结果，可以直观判断冻结锋面推进的不同阶段及速率。采用驱替方式将污染水中污染物质集中到底部圆筒的范围内，底部高浓度污染水体部分通过箱体容器的排水口经由导管排出集中再进行化学处理。在冻结过程中，当外界温度低于待处理污染水温度，热棒开始工作，充分利用外部自然冷能自热棒中心向外冻结污染水体。通过置于容器侧壁及热棒外侧壁上的温度传感器实时对污染水体的温度进行监测，并实时调整冻结温度，控制冻结锋面推进速率，大大提高了污染水体净化效果，是一种能够大面积使用更为环保的高效净化污染水体污染处理技术。在我国深季节冻土区可以利用自然冷能进行大规模的室外污染水体净化。同时该方法可以用于溶液的浓缩，药水提纯等领域。其结构简单，操作方便，污染水体处理效率高，能耗低，自动化程度高，运行费用低，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1利用热棒技术净化污染水体的冻结方法示意图；

图2污染水体处理箱体容器装置示意图；

图3箱体容器隔间温度传感器布置示意图；

图4热棒周围冻结冰体示意图。

图中：1-污染水体容器，2-污染水体，3-污染水体导管，4-开关阀门，5-保温板，6-热棒，7-人工冷能供给管路，8-人工冷能返回管路，9、污染水体处理箱体容器，10-聚苯乙烯保温层，11-待处理污染水体，12-隔板，13-压力安全阀门，14、高浓度污染水体收集导管，15、高浓度污染水体，16-高浓度污染水体收集容器，17、人工冷能控制系统,18、可视窗口，19、温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明：

本发明的利用天然冷能净化污染水体的冻结装置，主要由污染水体容器1、污染水体处理箱体容器9、高浓度污染水体收集容器16和人工冷能控制系统17四个部分构成；所述的污染水体处理箱体容器9周围铺设有聚苯乙烯保温层10，污染水体处理箱体容器9内设有将其分割为多个独立单一隔间的隔板12，污染水体处理箱体容器9的单一隔间边长为180～250cm，根据实际需要设定。所述隔板12的高度小于污染水体处理箱体容器9的高度，使污染水体处理箱体容器9上部留有冷量循环空间，隔板12的高度距离污染水体处理箱体容器9高度的间隔距离为20-50cm；每个独立单一隔间上均设有可视窗口18，每单一隔间中心插有热棒6，在污染水体处理箱体容器9的侧壁及热棒6的上设有进行实时温度监测的温度传感器19，污染水体处理箱体容器9的顶部设有保温板5，保温板5上设有一端插入污染水体处理箱体容器9内的人工冷能供给管路7和人工冷能返回管路8，人工冷能供给管路7和人工冷能返回管路8的另一端分别与人工冷能控制系统17相连，污染水体处理箱体容器9的底座中部设有排出高浓度污染水体的通道，通道口处连有与高浓度污染水体收集容器16相连的高浓度污染水体收集导管14，所述的高浓度污染水体收集导管14上设有压力安全阀门13。所述污染水体容器1内插装有与污染水体处理箱体容器9进水口相连的污染水体导管3。所述的污染水体导管3上设有开关阀门4。

本发明的利用天然冷能净化污染水体的冻结方法，首先预先检测污染水体的特征信息；依据周围的环境决定是否需要外加人工冷源提供污染水体冻结所需冷量；基于污染水体特征信息，结合当地的冬季负温特征，确定最佳热棒工作参数；在冻结过程中，通过内置的温度传感器、箱体容器外壁可视窗口了解温度场的发展情况，掌握冻结锋面的扩展过程；实时调整冻结温度，控制冻结锋面推进速率，提高水体净化效果；当热棒周围水体冻结，温度低于外部温度，热棒停止工作时，需要抽出热棒并去除箱体内部冻结冰体，进一步补充待处理污染水体，重新插入热棒继续冻结过程；对底部集中的高浓度污染水移除进行再处理；具体过程如下：

将污染水体2经由污染水导管3送入上覆保温板的污水处理箱体容器9内，并分布在多个独立的单一隔间内，当外界温度低于待处理污染水体11的温度，设在单一隔间内的热棒6开始工作，充分利用外部自然冷能从热棒6中心向外冻结污染水体，完成净化污染水体的冻结驱替，在冻结驱替过程中，由置于污水处理箱体容器9侧壁及热棒外侧壁上的温度传感器19实时对污染水体的温度进行监测，并透过可视窗口18直观观测水体冻结过程，结合温度监测结果，实时调整冻结温度，可以直观判断冻结锋面推进的不同阶段及速率，从而控制冻结锋面推进速率，提高水体净化效果。

在外部冷源不足以提供污染水体冻结所需冷量时，辅以人工冻结的方法，采用氨制冷和盐水循环，冻结方式正循环，自上而下的单向冻结方式，在污水处理箱体容器9顶部的冷量循环空间内，通过人工冷能控制系统17从污水处理箱体容器9顶部的保温板5内施加人工冷源，冷能通过人工冷能供给管路7及人工冷能返回管路8输送，对待处理污染水体11进行冻结，由于水变成冰体积膨胀，未冻结的高浓度污染水体压力增大，压力作用下高浓度污染水体15从污水体处理箱体容器9底座通道析出，通过压力安全阀门13经高浓度污染水体收集导管14流入高浓度污染水体收集容器16，集中处理。所述人工冷能控制系统17的功率依据污染水体的体积、冻结温度和冻结锋面推进速率共同决定，冻结温度选择为-5～-20℃，冻结锋面推进速率控制在2～5厘米/天。

当热棒6周围冻结水体温度低于外部温度时，热棒6停止工作，抽出热棒6并去除箱体内部冻结冰体，完成一次净化污染水体的冻结过程，周而复始，继续补充待处理污染水体11，重新插入热棒继续冻结，完成多次净化污染水体的冻结过程。所述的热棒6的半径Ф为6～11cm，根据污染水体的特征信息和寒区冬季负温特征选择热棒6结构尺寸参数。

Claims (9)

1.一种利用天然冷能净化污染水体的冻结装置，其特征在于：它包括：污染水体容器（1）、污染水体处理箱体容器（9）、高浓度污染水体收集容器（16）和人工冷能控制系统（17）四个部分；所述的污染水体处理箱体容器（9）周围铺设有聚苯乙烯保温层（10），污染水体处理箱体容器（9）内设有将其分割成多个大小相同的独立单一隔间的隔板（12），所述隔板（12）的高度小于污染水体处理箱体容器（9）的高度，使污染水体处理箱体容器（9）上部留有冷量循环空间；每个独立单一隔间上均设有可视窗口（18），每单一隔间中心插有热棒（6），在污染水体处理箱体容器（9）的侧壁及热棒（6）上设有进行实时温度监测的温度传感器（19），污染水体处理箱体容器（9）的顶部设有保温板（5），保温板（5）上设有一端插入污染水体处理箱体容器（9）内的人工冷能供给管路（7）和人工冷能返回管路（8），人工冷能供给管路（7）和人工冷能返回管路（8）的另一端分别与人工冷能控制系统（17）相连，污染水体处理箱体容器（9）的底座中部设有排出高浓度污染水体的通道，通道口处连有与高浓度污染水体收集容器（16）相连的高浓度污染水体收集导管（14），所述污染水体容器（1）内插装有与污水处理箱体容器（9）进水口相连的污染水体导管（3）。

2.根据权利要求1所述的一种利用天然冷能净化污染水体的冻结装置，其特征在于：所述的污染水体导管（3）上设有开关阀门（4）。

3.根据权利要求1所述的一种利用天然冷能净化污染水体的冻结装置，其特征在于：所述的高浓度污染水体收集导管（14）上设有压力安全阀门（13）。

4.根据权利要求1所述的一种利用天然冷能净化污染水体的冻结装置，其特征在于：所述污染水体处理箱体容器（9）的单一隔间边长为180~250cm。

5.根据权利要求1所述的一种利用天然冷能净化污染水体的冻结装置，其特征在于：所述隔板（12）的高度距离污染水体处理箱体容器（9）高度的间隔距离为20-50cm。

6.实施权利要求1所述装置的利用天然冷能净化污染水体的冻结方法，其特征在于：将污染水体（2）经由污染水体导管（3）送入污染水体处理箱体容器（9）内，并分布在多个独立的单一隔间内，当外界温度低于待处理污染水体（11）的温度，热棒（6）开始工作，充分利用外部自然冷能从热棒（6）中心向外冻结污染水体，完成净化污染水体的冻结驱替，在冻结驱替过程中，由置于污水处理箱体容器（9）侧壁及热棒外侧壁上的温度传感器（19）实时对污染水体的温度进行监测，并透过可视窗口（18）直观观测水体冻结过程，实时调整冻结温度，控制冻结锋面推进速率。

7.根据权利要求6所述的利用天然冷能净化污染水体的冻结方法，其特征在于：在外部冷源不足以提供污染水体冻结所需冷量时，通过人工冷能控制系统（17）从污水处理箱体容器（9）顶部的保温板（5）内施加人工冷源，冷能通过人工冷能供给管路（7）及人工冷能返回管路（8）输送，对待处理污染水（11）进行冻结，由于水变成冰体积膨胀，未冻结的高浓度污染水体压力增大，压力作用高浓度污染水体（15）从污水处理箱体容器（9）底座通道析出，通过压力安全阀门（13）经高浓度污染水体收集导管（14）流入高浓度污染水体收集容器（16），集中处理。

8.根据权利要求6所述的利用天然冷能净化污染水体的冻结方法，其特征在于：当热棒（6）周围冻结水体温度低于外部温度时，热棒（6）停止工作，抽出热棒（6）并去除箱体内部冻结冰体，完成一次净化污染水体的冻结过程，周而复始，继续补充待处理污染水体，重新插入热棒继续冻结，完成多次净化污染水体的冻结过程。

9.根据权利要求6所述的利用天然冷能净化污染水体的冻结方法，其特征在于：所述人工冷能控制系统（17）的功率依据污染水体的体积、冻结温度和冻结锋面推进速率共同决定，冻结温度选择为-5~-20℃，冻结锋面推进速率控制在2~5厘米/天。

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