CN114014404A - 一种利用冷冻法实现高盐高cod废水零排放装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置，属于工业废水处理技术领域。该高盐高COD废水零排放装置包括：缓冲水箱、进料泵、冷冻结晶器、冷冻换热器、冷冻循环泵、冰晶成长器、冰浆输送泵、冰浆离心机、冷冻母液罐、融冰罐、浓缩液输送泵、母液回流泵、出水泵、冷冻机组、回用水设备、焚烧系统。该废水零排放装置在低温环境下进行，使得介质对各结构的腐蚀速率大幅度降低，延长了装置的使用寿命，降低成本；同时，该装置通过冷冻法实现零排放，无气相相变产生，不会使COD组分变成蒸汽挥发，防止异味气体产生，且降低了能耗。

Description

一种利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置

技术领域

本发明属于工业废水处理技术领域，具体地，涉及一种利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置。

背景技术

在高含盐高COD废水处理中，最常用的方法为蒸发法。蒸发法就是把废水进行加热，使废水中的水分沸腾蒸发，再将蒸汽冷凝成淡水的过程，同时回收高纯度的结晶盐。常见的蒸发技术有多效蒸发（MED）、机械蒸汽再压缩蒸发（MVR）等。

多效蒸发（MED）的主要工作原理是通过前一级蒸发器产生的二次蒸汽作为后一级蒸发器的热源来实现热能的多次利用，从而提高热能利用率。动力（新鲜）蒸汽对一效蒸发器进行加热后冷凝回用；废水经一效蒸发器蒸发浓缩并形成二次蒸汽作为二效蒸发器的热源；浓缩后的废水进入二效蒸发器进一步浓缩，其形成的二次蒸汽又作为三效蒸发器的热源；如此类推，浓缩废水进入下一效蒸发器继续浓缩。最终，末效蒸发器出来的蒸汽最后进入冷凝器冷凝成水，及脱盐后的淡水。根据二次蒸汽和废水料液的流向，把MED的流程分为并流、平流、逆流和错流操作，在实际应用中，根据生产要求和各种物料的物化性质的不同选择不同的流程。

机械蒸汽再压缩（MVR）的主要工作原理是将蒸发器排出的低品味二次蒸汽通过蒸气压缩机进行压缩至较高温度和压力，重新得到热品味较高的蒸汽并取代新鲜（动力）蒸汽作为热源。压缩后的蒸汽进入蒸发器的加热室冷凝释放热量，而废水料液吸收热量后沸腾汽化再产生的二次蒸汽，经过蒸发器分离后进入压缩机，循环往复，蒸汽得到充分利用。因此，机械蒸汽再压缩（MVR）只要在系统启动时提供一定的能量使系统产生二次蒸汽，然后便不再外加蒸汽而使蒸发连续进行。

蒸发法处理有机废水具有操作方便、工艺简单、处理得到的淡水水质良好等优点。但采用蒸发法处理有机废水（包含垃圾渗滤液）仍存在一下缺点：1）需要适当预处理，运行费用较高；2）实际运行中，无法完全分离水和挥发性有机物（轻组分），两者易形成共沸共同分离收集；3）由于高温运行环境，导致污水对设备材料的腐蚀速率大幅提高，导致大规模生产设备造价高，且在运行过程中，设备容易结垢，运行能耗高。

冷冻法在水处理工程中较少应用，其目前主要应用于废水中提取盐分，根据盐分在不同温度下水中溶解度的不同，通过升温-降温等一系列操作用于盐分分离，其主要缺点如下：1）冷冻分盐的应用范围较窄，只针对某几种特定组分，如氯化钠-硫酸钠分盐；2）冷冻法处理的几乎不含有COD组分的水溶液，对处理原料清洁度要求较高；当水溶液中含有COD组分时，会影响盐分的纯度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置。该高盐高COD废水零排放装置具有能耗低、便于日常维护、成本低的特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置，包括：缓冲水箱、进料泵、冷冻结晶器、冷冻换热器、冷冻循环泵、冰晶成长器、冰浆输送泵、冰浆离心机、冷冻母液罐、融冰罐、浓缩液输送泵、母液回流泵、出水泵、冷冻机组、回用水设备、焚烧系统，所述缓冲水箱的出水口通过进料泵与冷冻循环泵入口处的专用进料口连接，所述冷冻结晶器的顶部设有循环入口，所述冷冻结晶器的底部设有出料口，所述冷冻结晶器的侧壁上由上至下依次设有出冰口、回流口、循环出口，所述循环出口、冷冻循环泵、冷冻换热器、冰晶成长器、循环入口依次连接，所述冷冻换热器与冷冻机组连接；所述冷冻结晶器的出冰口通过冰浆输送泵与冰浆离心机连接，所述冰浆离心机分别与冷冻母液罐、融冰罐连接，所述融冰罐的底部设有出水口，所述融冰罐的出水口通过出水泵与回用水设备连接，所述冷冻母液罐的底部设有出水口，所述冻母液罐的出水口通过母液回流泵与冷冻结晶器的回流口连接；所述冷冻结晶器的出料口通过浓缩液输送泵与焚烧系统连接。

进一步地，所述冷冻换热器为管壳式换热器或板式换热器，所述冷冻换热器的介质流速为1.0m/s~3.0m/s。

进一步地，所述冷冻换热器的管程入口与冷冻循环泵的出口连接，所述冻换热器的管程出口与冰晶成长器的入口连接，所述冷冻换热器的壳程入口与冷冻机组的出口端连接，所述冷冻换热器的壳程出口与冷冻机组的入口端连接。

进一步地，所述冰浆离心机上设有入口、液相出口、固相出口，所述冰浆离心机的入口与冰浆输送泵的出口连接，所述冰浆离心机的液相出口与冷冻母液罐连接，所述冰浆离心机的固相出口与融冰罐连接。

进一步地，所述融冰罐内设有融冰罐搅拌器，所述融冰罐搅拌器为锚框式搅拌器。

进一步地，所述冷冻母液罐内设有冷冻母液罐搅拌器，所述冷冻母液罐搅拌器为斜桨叶式搅拌器。

进一步地，所述冻母液罐与母液回流泵相连管道、融冰罐与出水泵相连管道均为夹套管道。

进一步地，所述冷冻结晶器内的温度为-30℃~0℃。

进一步地，所述融冰罐内的温度为0.1℃~30℃。

进一步地，所述冰晶成长器的壳内设有螺旋形导流板，所述冰晶成长器的外壳上设有1-8个超声波发生器，所述超声波发生器的超声波频率为20kHz~120kHz。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明高盐高COD废水零排放装置在低温环境下进行，使得介质对各结构的腐蚀速率大幅度降低，延长了装置的使用寿命，降低成本；同时，该装置通过冷冻法实现零排放，无气相相变产生，不会使COD组分变成蒸汽挥发，防止异味气体产生，且降低了能耗。

附图说明

图1为本发明利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置的结构示意图；

其中，1-缓冲水箱、2-进料泵、3-冷冻结晶器、4-冷冻换热器、5-冷冻循环泵、6-冰晶成长器、7-冰浆输送泵、8-冰浆离心机、9-冷冻母液罐、10-冷冻母液搅拌器、11-融冰罐、12-融冰罐搅拌器、13-浓缩液输送泵、14-母液回流泵、15-出水泵、16-冷冻机组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地解释说明。

在高盐高COD废水处理中，蒸发法会使得废水中的水分相变形成水蒸气，而冷冻法是将废水中的水分相变形成冰晶；水蒸发成为水蒸气的相变热约为2300kJ/kg，而水凝结成为冰的相变热约为336kJ/kg，因此，冷冻法比蒸发法所需相变热的能量更小。基于此，本发明利用冷冻法开发出一种更低能耗、更低运行费用的废水零排放处理装置。

如图1为本发明利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置的结构示意图，该高盐高COD废水零排放装置包括：缓冲水箱1、进料泵2、冷冻结晶器3、冷冻换热器4、冷冻循环泵5、冰晶成长器6、冰浆输送泵7、冰浆离心机8、冷冻母液罐9、融冰罐11、浓缩液输送泵13、母液回流泵14、出水泵15、冷冻机组16、回用水设备、焚烧系统。缓冲水箱1的出水口通过进料泵2与冷冻循环泵5入口处的专用进料口连接。本发明中冷冻结晶器3内的温度为-30℃~0℃，冷冻结晶器3的顶部设有循环入口，冷冻结晶器3的底部设有出料口，冷冻结晶器3的侧壁上由上至下依次设有出冰口、回流口、循环出口，所述循环出口、冷冻循环泵5、冷冻换热器4、冰晶成长器6、循环入口依次连接，使得废水通过换热制冷、形成冰晶。

冷冻换热器4与冷冻机组16连接；冷冻结晶器3的出冰口通过冰浆输送泵7与冰浆离心机8连接，通过冰江离心机8实现冰水混合物的固液分离。冰浆离心机8分别与冷冻母液罐9、融冰罐11连接，融冰罐11的底部设有出水口，融冰罐11的出水口通过出水泵15与回用水设备连接，本发明中融冰罐11内的温度为0.1℃~30℃，冰在0℃以上时会融化成为水，液体形方便物料输送；将融冰罐11中的温度设置为0.1~30℃，可通过自然融化或加入少量换热剂升温融化，当融冰罐11中温度超过30℃时，则需大量换热剂进行换热，浪费资源。冷冻母液罐9的底部设有出水口，冻母液罐9的出水口通过母液回流泵14与冷冻结晶器3的回流口连接，冷冻母液回流至冷冻结晶器3，使得冷冻母液继续进行冷冻成冰的过程。冷冻结晶器3的出料口通过浓缩液输送泵13与焚烧系统连接，使得末端最终实现废液焚烧，实现“废水零排放”。该高盐高COD废水零排放装置在低温环境下进行，使得介质对各结构的腐蚀速率大幅度降低，延长了装置的使用寿命，降低成本；同时，该装置通过冷冻法实现零排放，无气相相变产生，不会使COD组分变成蒸汽挥发，防止异味气体产生，且降低了能耗。

本发明中冷冻换热器4为管壳式换热器或板式换热器，冷冻换热器4的材料包括但不限于碳素钢、不锈钢、铜合金、铝合金、钛合金。冷冻换热器4的管程入口与冷冻循环泵5的出口连接，冻换热器4的管程出口与冰晶成长器6的入口连接，冷冻换热器4的壳程入口与冷冻机组16的出口端连接，冷冻换热器4的壳程出口与冷冻机组16的入口端连接，同时，保证冷冻换热器4的壳程介质流速为1.0m/s~3.0m/s，进一步降低由冷冻结晶器3出冰口流出的过冷水温度，便于冰晶成长器6生成冰晶。

本发明中冰晶成长器6的壳内设有螺旋形导流板，冰晶成长器6的外壳上设有1-8个超声波发生器，超声波发生器的超声波频率为20kHz~120kHz。通过导流板来降低冰晶制取过程中的阻力，通过超声波发生器诱导过冷水快速形成小颗粒的冰晶，无需切冰装置，降低能耗，同时保证了冰晶制取的连续性。

本发明中冰浆离心机8上设有入口、液相出口、固相出口，冰浆离心机8的入口与冰浆输送泵7的出口连接，冰浆离心机8的液相出口与冷冻母液罐9连接，当液相流入冷冻母液罐9后，通过母液回流泵14输送至冷冻结晶器3中，冷冻母液继续进行冷冻成冰过程。本发明的冷冻母液罐9内设有冷冻母液罐搅拌器10，冷冻母液罐搅拌器10为斜桨叶式搅拌器。冰浆离心机8的固相出口与融冰罐11连接，固相流入融冰罐11后，通过大气自然升温或使用少量换热剂使冰晶升温融化成为水，方便物料输送；通过出水泵15输送至回用水设备中。融冰罐11内设有融冰罐搅拌器12，融冰罐搅拌器12为锚框式搅拌器。同时，冻母液罐9与母液回流泵14相连管道、融冰罐11与出水泵15相连管道均为夹套管道，设置夹套管道可实现利用少量换热剂使管道内物料升温，防止冰晶聚集堵塞设备。

本发明高盐高COD废水零排放装置的工作原理为：利用废水中杂质的凝固点低于水的凝固点的物理特性，在低温环境中使水以固相首先结晶出来，即当溶液温度降到水的冰点以下，溶液中会生成很多悬浮的细小的冰晶，利用冰和水溶液之间的固液相平衡原理及密度的差异，将冰晶和浓缩液分离，冰晶融化后，成为含有杂质浓度很低的出水作为生产性补充水进行回收利用。

本发明高盐高COD废水零排放装置的工作过程具体为：

（1）废水收集在缓冲水箱1中，缓冲水箱1的出口与进料泵2的进口相连，进料泵2的出口与冷冻循环泵5的进口相连，冷冻结晶器3的循环出口、冷冻循环泵5、冷冻换热器4、冰晶成长器6、冷冻结晶器3循环入口依次相连，通过进料泵2及冷冻循环泵5的连续输送，使得废水进入至冷冻结晶器3中。

（2）冷冻结晶器3中废水依次通过冷冻循环泵5、冷冻换热器4、冰晶成长器6，通过换热制冷及冰晶成长过程后，将冷冻结晶器3中的废水温度由冰点以上降温至冰点以下，最终以冰水混合物的形式返回冷冻结晶器3中。冰水混合物在冷冻结晶器3中，由于重力作用，实现冰晶与水的粗分离，含有较多冰晶的冰水混合物悬浮在冷冻结晶器3的上部空间，不含冰晶的废水在冷冻结晶器3的下部空间，将废水继续重复上述循环换热制冷及冰晶成长过程。

（3）冷冻结晶器3的顶部出口与冰浆输送泵7的进口相连，冰浆输送泵7的出口与冰浆离心机8的进口相连；悬浮在冷冻结晶器3上部空间的含有较多冰晶的冰水混合物通过冰浆输送泵7输送至冰浆离心机8中，在冰浆离心机8中进行冰晶与废水的固液分离。冰浆离心机8的固相出口与融冰罐11相连，冰浆离心机8的液相出口与冷冻母液罐9相连。

（4）冰水混合物在冰浆离心机8固液分离后，液相废水进入冷冻母液罐9中，冷冻母液罐9的底部出口与母液回流泵14的进口相连，母液回流泵14的出口与冷冻结晶器3的回流口相连；通过母液回流泵14的输送，液相废水回流至冷冻结晶器3中，再次进行循环换热制冷及冰晶成长过程。

（5）固相冰晶进入融冰罐11中，融冰罐11为夹套容器，融冰罐11的底部出口与出水泵15的进口相连，出水泵15的出口与具体回用水设备相连；冰晶在融冰罐11中，通过大气自然升温或使用夹套换热方式升温使冰晶融化为液态水，通过出水泵15输送至具体的回用水设备中作为生产性补充水进行回收利用。

（6）在冷冻结晶器3中，原废水由于换热制冷及冰晶成长过程，大部分水分以冰晶形式离开冷冻结晶器3中，底部积存废水成为浓缩液，其主要为含有更高浓度的盐份及COD组分的废水。冷冻结晶器3的底部出口与浓缩液输送泵13的进口相连，浓缩液输送泵13的出口与后续焚烧系统的进口相连；浓缩液通过浓缩液输送泵13的输送，最终输送至后续焚烧系统中，进行废液焚烧过程。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施方式，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置，其特征在于，包括：缓冲水箱（1）、进料泵（2）、冷冻结晶器（3）、冷冻换热器（4）、冷冻循环泵（5）、冰晶成长器（6）、冰浆输送泵（7）、冰浆离心机（8）、冷冻母液罐（9）、融冰罐（11）、浓缩液输送泵（13）、母液回流泵（14）、出水泵（15）、冷冻机组（16）、回用水设备、焚烧系统，所述缓冲水箱（1）的出水口通过进料泵（2）与冷冻循环泵（5）入口处的专用进料口连接，所述冷冻结晶器（3）的顶部设有循环入口，所述冷冻结晶器（3）的底部设有出料口，所述冷冻结晶器（3）的侧壁上由上至下依次设有出冰口、回流口、循环出口，所述循环出口、冷冻循环泵（5）、冷冻换热器（4）、冰晶成长器（6）、循环入口依次连接，所述冷冻换热器（4）与冷冻机组（16）连接；所述冷冻结晶器（3）的出冰口通过冰浆输送泵（7）与冰浆离心机（8）连接，所述冰浆离心机（8）分别与冷冻母液罐（9）、融冰罐（11）连接，所述融冰罐（11）的底部设有出水口，所述融冰罐（11）的出水口通过出水泵（15）与回用水设备连接，所述冷冻母液罐（9）的底部设有出水口，所述冻母液罐（9）的出水口通过母液回流泵（14）与冷冻结晶器（3）的回流口连接；所述冷冻结晶器（3）的出料口通过浓缩液输送泵（13）与焚烧系统连接。

2.根据权利要求1所述利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置，其特征在于，所述冷冻换热器（4）为管壳式换热器或板式换热器，所述冷冻换热器（4）的介质流速为1.0m/s~3.0m/s。

3.根据权利要求1所述利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置，其特征在于，所述冷冻换热器（4）的管程入口与冷冻循环泵（5）的出口连接，所述冻换热器（4）的管程出口与冰晶成长器（6）的入口连接，所述冷冻换热器（4）的壳程入口与冷冻机组（16）的出口端连接，所述冷冻换热器（4）的壳程出口与冷冻机组（16）的入口端连接。

4.根据权利要求1所述利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置，其特征在于，所述冰浆离心机（8）上设有入口、液相出口、固相出口，所述冰浆离心机（8）的入口与冰浆输送泵（7）的出口连接，所述冰浆离心机（8）的液相出口与冷冻母液罐（9）连接，所述冰浆离心机（8）的固相出口与融冰罐（11）连接。

5.根据权利要求1所述利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置，其特征在于，所述融冰罐（11）内设有融冰罐搅拌器（12），所述融冰罐搅拌器（12）为锚框式搅拌器。

6.根据权利要求1所述利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置，其特征在于，所述冷冻母液罐（9）内设有冷冻母液罐搅拌器（10），所述冷冻母液罐搅拌器（10）为斜桨叶式搅拌器。

7.根据权利要求1所述利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置，其特征在于，所述冻母液罐（9）与母液回流泵（14）相连管道、融冰罐（11）与出水泵（15）相连管道均为夹套管道。

8.根据权利要求1所述利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置，其特征在于，所述冷冻结晶器（3）内的温度为-30℃~0℃。

9.根据权利要求1所述利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置，其特征在于，所述融冰罐（11）内的温度为0.1℃~30℃。

10.根据权利要求1所述利用冷冻法实现高盐高COD废水零排放装置，其特征在于，所述冰晶成长器（6）的壳内设有螺旋形导流板，所述冰晶成长器（6）的外壳上设有1-8个超声波发生器，所述超声波发生器的超声波频率为20kHz~120kHz。

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