CN114835184B - 一种基于水合物水蒸气吸附法的污水处理方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污水处理技术领域，提供了一种基于水合物水蒸气吸附法的污水处理方法及装置，该装置包括污水蒸发区、水合物生成区、水合物分解区和数据采集及控制系统；利用污水在常温下蒸发上升的水蒸气及冷凝水与水合剂在制冷壁面上反应生成水合物，促进污水不断蒸发，晶体生成后利用刮刀刮落至下方收集区，水合物分解为淡水实现污水处理。本发明提供了一种可处理同时含有多种污染物的复杂废水处理方法，通过消耗水蒸气生成水合物促进污水蒸发，获得的分解水理论上不含有污染物。本发明提供的污水处理方法具有操作简单、低能高效的特点，有效降低污水处理能耗；同时实现气体水合剂回收循环利用，降低污水处理成本，提高经济和环保效益。

Description

一种基于水合物水蒸气吸附法的污水处理方法及装置
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种基于水合物水蒸气吸附法的污水处理方法及装置。
背景技术
近年来随着经济的高速发展及工业化进程的加快，污水排放量不断增加，污水排放成为我国建设生态文明的重要阻碍。我国年均污水排放量达到700亿吨，其中工业污水年均排放量超过200亿吨，约占总污水排放量的30％。工业污水具有高污染、难处理等特征，富含无机重金属、有机酚、轻烃等多种污染物，极大增加污水处理难度。未经处理的污水排放到附近的江河海洋中不仅会造成严重的环境污染问题，同时也会影响人们日常的生产生活，因此污水处理技术对于我国的经济发展和生态保护具有十分重要的意义。
目前工业污水处理技术主要包括化学沉淀法、电解法、膜分离法及蒸发法等方法。然而化学沉淀法存在投加药剂量大、易造成二次污染等问题；电解法的处理费用高，难以用于大规模污水处理；膜分离法对于污水水质要求高，膜的堵塞问题增加了污水处理成本；蒸发法由于能耗较大，使得污水处理成本过高。传统的污水处理技术存在耗能大、二次污染、成本高等问题，且难以适用于对于含有多种污染物的复杂污水的处理。因此，亟需探索环境友好、高效普适的新型污水处理技术。
本发明针对目前传统工业污水处理技术所存在的缺陷，结合水合物技术，提出一种基于水合物水蒸气吸附法的污水处理方法。
发明内容
针对传统的污水处理技术存在能耗高、二次污染及成本高昂的问题，本发明的目的是提出了一种基于水合物水蒸气吸附法的污水处理方法及装置，有效解决了传统污水处理时高能低效问题，实现污水连续处理，提高生产效率，使用的气体水合剂经收集净化后可循环使用，降低污水处理成本，具体技术方案为：
一种基于水合物水蒸气吸附法的污水处理装置，包括污水蒸发区、水合物生成区、水合物分解区和数据采集及控制系统：
所述的污水蒸发区包括反应器本体、磁力搅拌器、废液罐及污水储存箱，所述的反应器本体分为污水蒸发腔和水合物生成分解腔，污水蒸发腔和水合物生成分解腔上部连通，所述的污水储存箱与反应器本体的污水蒸发腔相连；所述的污水蒸发腔内部装有磁力搅拌器，污水蒸发腔底部与废液罐相连；
所述的水合物生成区包括刮壁装置、制冷壁面、气瓶、压力传感器及温度传感器，所述的气瓶与反应器本体相连，反应器本体内部设有压力传感器及温度传感器，对水合物生成分解腔内部反应环境进行监测；所述刮壁装置设置于反应器本体内部，作用于制冷壁面，用于刮落水蒸气及其冷凝水与气体水合剂在制冷壁面上生成的水合物晶体；
所述的水合物分解区包括反应器本体的水合物生成分解腔、淡水收集箱及气体回收装置，所述刮壁装置刮落的水合物晶体落至反应器本体的水合物生成分解腔底部，所述的气体回收装置与水合物生成分解腔相连，用于水合物晶体分解后的气体水合剂收集，实现水合剂回收循环利用；所述的淡水箱与水合物生成分解腔底部相连，用于水合物分解后的淡水收集；
所述的数据采集及控制系统包括数据采集装置及计算机控制系统，反应器本体内部的压力传感器及温度传感器与数据采集装置相连，检测釜体内部污水处理过程中的压力及温度变化；计算机控制系统控制刮壁装置的刮壁运动，以及制冷壁面的温度调节。
进一步地，所述刮壁装置包括电机、伸缩杆、刮刀；所述的电机安装在反应器本体内部，通过连接伸缩杆控制刮刀在釜体内壁运动；所述的伸缩杆可根据位置变化进行长度调节，使刮刀沿冷却壁面竖直移动，用于刮落水蒸气及其冷凝水与气体水合剂在制冷壁面上生成的水合物晶体。
进一步地，所述制冷壁面采用冷却盘管冷却制冷壁面形成适于水合物生成的壁面环境。
进一步地，所述的反应器本体主体部分由不锈钢制成，能承受10MPa的压力。
进一步地，所述冷却盘管对应的反应器本体外侧壁选用导热系数小于0.25W/(m·K)耐高压的隔热材料与其他外侧壁面相接，以减少冷量的散失。
采用上述基于水合物水蒸气吸附法的污水处理装置的方法，包括处理步骤如下：
步骤1，进水：污水储存箱内的污水输送至反应器本体中；待输送污水体积达到本次处理污水量后，完成进水；
步骤2，注气：气瓶中的高压气体水合剂通入至反应器本体中；待反应器本体内部压力达到污水处理所需压力时，完成注气；
步骤3，反应：降低冷却壁面温度至反应所需温度，启动磁力搅拌器，加快污水蒸发速度；蒸发上升的水蒸气及冷凝水与气体水合剂在冷却壁面上反应生成固体水合物，通过反应消耗水蒸气促使污水蒸发不断进行；
步骤4，分离：冷却壁面上生成的水合物晶体不断堆积增厚，启动刮壁装置，将冷却壁面上生成的水合物晶体刮落；计算机控制系统定期启动关闭刮壁装置，周期性刮落侧壁上生成的水合物晶体，直至一批次污水处理完成；
步骤5，分解：刮落的水合物晶体掉落至反应器本体水合物生成分解腔底部，水合物在常温下快速分解为气体和淡水；水合物分解释放气体收集至气体回收装置，待纯化后回收循环利用；分解生成的淡水流至淡水箱；反应器本体的污水蒸发腔底剩余的浓缩污水输送至废液罐；
步骤6，循环：待水合物完全分解后，完成一次的污水处理，关闭所有阀门，重复步骤1～5，实现污水连续处理。
进一步地，所述的气体水合剂选用在2～8℃反应温度条件下生成水合物相平衡压力为0.1～10MPa的气体分子。
进一步地，所述的气体水合剂为二氧化碳、丙烷中的一种或两种。
进一步地，所述输送至反应器本体中所处理的污水为含有多种污染物的复杂污水，污水温度为20～25℃，污水流速控制在1.0～3.0m/s，污水输送量为反应器本体污水蒸发区容积的70％～80％。
进一步地，所述的磁力搅拌器搅拌速度控制在400～800rpm，以加快污水蒸发速度；根据处理污水浓度调整冷却壁面温度，温度控制在2～8℃，温度及压力控制在水合物相平衡曲线以上，气体水合剂与蒸发的水蒸气在冷却盘管上生成水合物，促进污水蒸发区的污水蒸发过程不断进行。
所述的电机由计算机控制系统控制，根据制冷壁面上水合物晶体的生长速度控制电机启动关闭，电机控制伸缩杆及刮刀周期性将生成的水合物刮落至反应器本体下方收集区，水合物晶体常温下分解获得淡水。
发明的有益效果为：本方法应用水合物水蒸气吸附法进行污水处理，将气体水合剂与水蒸气及冷凝水结合生成水合物，降低装置内水蒸气分压，促进污水蒸发过程持续进行，水合物晶体分解获得淡水实现污水处理，克服传统加热蒸发法能耗大及水合物法处理时由于夹液造成污染物脱除效率低的问题；本方法对污水种类并无选择性，适用于高浓度复杂污水的处理，且分解后得到的淡水理论上不含污染物；此外，污水处理完成后水合物分解释放的气体水合剂经收集后可循环利用，降低污水处理成本，提高处理经济性。
附图说明
图1为一种基于水合物水蒸气吸附法的污水处理方法及装置示意图。
图中：1电机；2伸缩杆；3刮刀；4冷却盘管；5反应器本体；6磁力搅拌器；7-1第一单向阀；7-2第二单向阀；7-3第三单向阀；8淡水箱；9-1第一减压阀；9-2第二减压阀；10气体回收装置；11废液罐；12水泵；13污水储存箱；14气瓶；15压力传感器；16温度传感器；17数据采集装置；18计算机控制系统。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1：
一种基于水合物水蒸气吸附法的污水处理系统包括污水蒸发区、水合物生成区、水合物分解区和数据采集及控制系统：
所述的污水蒸发区包括反应器本体5、磁力搅拌器6、第二单向阀7-2、第三单向阀7-3、废液罐11、水泵12及污水储存箱13，所述的污水储存箱13经第三单向阀7-3和水泵12与反应器本体5相连；所述的反应器本体内部装有磁力搅拌器6，底部经第二单向阀7-2与废液罐11相连；
所述的水合物生成区包括电机1、伸缩杆2、刮刀3、冷却盘管4、第二减压阀9-2、气瓶14、压力传感器15及温度传感器16，所述的电机1安装在反应器本体5内部，通过连接伸缩杆2控制刮刀3在冷却壁面上运动；所述的伸缩杆2可根据位置变化进行长度调节，使刮刀3沿冷却壁面竖直移动，刮落水蒸气及其冷凝水与气体水合剂在冷却盘管4对应的冷却壁面上生成的水合物晶体；所述的气瓶14通过第二减压阀9-2与反应器本体5相连，反应器本体5内部设有压力传感器15及温度传感器16，对釜体内部反应环境进行监测；
所述的水合物分解区包括反应器本体5、第一单向阀7-1、淡水收集箱8、第一减压阀9-1及气体回收装置10，刮刀3刮落的水合物晶体落至反应器本体5下方收集区，所述的气体回收装置10经第一减压阀9-1与反应器本体5相连，用于水合物晶体分解后的气体水合剂收集，实现水合剂回收循环利用；所述的淡水箱8经第一单向阀7-1与反应器本体5底部相连，用于水合物分解后的淡水收集；
所述的数据采集及控制系统包括数据采集装置17及计算机控制系统18，反应器本体5内部装有的压力传感器15及温度传感器16与数据采集装置17相连，检测釜体内部污水处理过程中的压力及温度变化；计算机控制系统18控制电机1定时启动关闭，带动伸缩杆2及刮刀3周期性运动。
本实施例采用基于水合物水蒸气吸附法的污水处理系统的方法，其步骤如下：
打开水泵12及第三单向阀7-3，污水储存箱13内储存的污水为电镀厂排放的高浓度含铜废水，离子浓度约15000mg/L，重金属污水经水泵12输送反应器本体5中，污水温度为20℃，污水流速为2.0m/s，污水输送量为反应器本体5污水蒸发区容积的75％；进水完成后，关闭水泵12及第三单向阀7-3；打开第二减压阀9-2，选用二氧化碳为气体水合剂，气瓶14中的高压气体经减压阀通入至反应器本体5中，控制釜内气体压力为3.5MPa，防止气体液化；注气完成后，关闭第二减压阀9-2。
降低冷却盘管4温度，设定反应温度为3℃；启动磁力搅拌器6，搅拌速度为600rpm；污水蒸发区内的污水不断蒸发，蒸发上升的水蒸气及冷凝水与气体水合剂在制冷壁面上反应生成固体水合物，通过消耗水蒸气促使污水蒸发不断进行。
制冷壁面上生成的水合物晶体不断堆积增厚，启动电机1，伸缩杆2在电机1作用下带动刮刀3沿冷却壁面由上至下垂直运动，刮落生成的水合物晶体，完成分离后回至初始位置；计算机控制系统18控制电机1定期启动关闭，设定启动频率为10min/次，伸缩杆2带动刮刀3周期性分离侧壁上生成的水合物晶体，直至一批次污水处理完成。
刮落的水合物晶体掉落至反应器本体5底部，水合物在20℃下快速分解为气体和淡水；打开第一减压阀9-1，水合物分解释放的二氧化碳气体收集至气体回收装置10；打开第一单向阀7-1，水合物晶体分解生成的淡水经阀门流至淡水箱8，淡水流速为1.5m/s，离子浓度小于0.1mg/L低于检测限，有效实现污水净化；打开单向阀7-2，剩余的浓缩污水经阀门输送至废液罐11，污水流速为2.0m/s，离子浓度约为28000mg/L，浓缩重金属污水结合电解工艺实现重金属资源回收。待水合物完全分解后，完成一批次污水处理，关闭所有阀门，重复上述步骤，实现污水连续处理。
实施例2：
本实施例采用基于水合物水蒸气吸附法的污水处理系统的方法，其步骤如下：
打开水泵12及第三单向阀7-3，污水储存箱13内储存的污水为石油炼化厂排放的含有无机盐及有机污染物的复杂废水，总有机碳含量为187.7mg/L，钠离子浓度为2248.0mg/L，石油工业废水经水泵12输送反应器本体5中，污水温度为25℃，污水流速为2.0m/s，污水输送量为反应器本体5污水蒸发区容积的70％；进水完成后，关闭水泵12及第三单向阀7-3；打开第二减压阀9-2，选用丙烷为气体水合剂，气瓶14中的高压气体经减压阀通入至反应器本体5中，控制釜内气体压力为0.5MPa，防止丙烷气体液化；注气完成后，关闭第二减压阀9-2。
降低冷却盘管4温度，设定反应温度为4℃；启动磁力搅拌器6，搅拌速度为500rpm；污水蒸发区内的污水不断蒸发，蒸发上升的水蒸气及冷凝水与气体水合剂在制冷侧壁上反应生成固体水合物，通过消耗水蒸气促使污水蒸发不断进行。
制冷侧壁上生成的水合物晶体不断堆积增厚，启动电机1，伸缩杆2在电机1作用下带动刮刀3沿冷却壁面由上至下垂直运动，刮落生成的水合物晶体，完成分离后回至初始位置；计算机控制系统18控制电机1定期启动关闭，设定启动频率为15min/次，伸缩杆2带动刮刀3周期性分离侧壁上生成的水合物晶体，直至一批次污水处理完成。
刮落的水合物晶体掉落至反应器本体5底部，水合物在25℃下快速分解为气体和淡水；打开第一减压阀9-1，水合物分解释放的二氧化碳气体收集至气体回收装置10；打开第一单向阀7-1，水合物晶体分解生成的淡水经阀门流至淡水箱8，淡水流速为1.5m/s，总有机碳含量降低至13.4mg/L，离子浓度小于0.1mg/L低于检测限，有效实现污水净化；打开单向阀7-2，剩余的浓缩污水经阀门输送至废液罐11，污水流速为2.0m/s。待水合物完全分解后，完成一批次污水处理，关闭所有阀门，重复上述步骤，实现污水连续处理。
以上实施例是本发明具体实施方式的一种，本发明所涉及的一种基于水合物水蒸气吸附法的污水处理方法及装置并不仅限于以上实施例中所述的装置设计结构和实施步骤，本领域技术人员基于本技术方案范围内所做的任何简单修改或者等效变换及组合均应属于在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于水合物水蒸气吸附法的污水处理装置，其特征在于，包括污水蒸发区、水合物生成区、水合物分解区和数据采集及控制系统：
所述的污水蒸发区包括反应器本体（5）、磁力搅拌器（6）、废液罐（11）及污水储存箱（13），所述的反应器本体（5）分为污水蒸发腔和水合物生成分解腔，污水蒸发腔和水合物生成分解腔上部连通，所述的污水储存箱（13）与反应器本体（5）的污水蒸发腔相连；所述的污水蒸发腔内部装有磁力搅拌器（6），污水蒸发腔底部与废液罐（11）相连；
所述的水合物生成区包括刮壁装置、制冷壁面、气瓶（14）、压力传感器（15）及温度传感器（16），所述的气瓶（14）与反应器本体（5）相连，反应器本体（5）内部设有压力传感器（15）及温度传感器（16），对水合物生成分解腔内部反应环境进行监测；所述刮壁装置设置于反应器本体（5）内部，作用于制冷壁面，用于刮落水蒸气及其冷凝水与气体水合剂在制冷壁面上生成的水合物晶体；
所述的水合物分解区包括反应器本体（5）的水合物生成分解腔、淡水箱（8）及气体回收装置（10），所述刮壁装置刮落的水合物晶体落至反应器本体（5）的水合物生成分解腔底部，所述的气体回收装置（10）与水合物生成分解腔相连，用于水合物晶体分解后的气体水合剂收集，实现水合剂回收循环利用；所述的淡水箱（8）与水合物生成分解腔底部相连，用于水合物分解后的淡水收集；
所述的数据采集及控制系统包括数据采集装置（17）及计算机控制系统（18），反应器本体（5）内部的压力传感器（15）及温度传感器（16）与数据采集装置（17）相连，检测釜体内部污水处理过程中的压力及温度变化；计算机控制系统（18）控制刮壁装置的刮壁运动，以及制冷壁面的温度调节。
2.根据权利要求1所述的基于水合物水蒸气吸附法的污水处理装置，其特征在于，所述刮壁装置包括电机（1）、伸缩杆（2）、刮刀（3）；所述的电机（1）安装在反应器本体（5）内部，通过连接伸缩杆（2）控制刮刀（3）在釜体内壁运动；所述的伸缩杆（2）可根据位置变化进行长度调节，使刮刀（3）沿冷却壁面竖直移动，用于刮落水蒸气及其冷凝水与气体水合剂在制冷壁面上生成的水合物晶体。
3.根据权利要求1所述的基于水合物水蒸气吸附法的污水处理装置，其特征在于，所述制冷壁面采用冷却盘管（4）冷却制冷壁面形成适于水合物生成的壁面环境。
4.根据权利要求1所述的基于水合物水蒸气吸附法的污水处理装置，其特征在于，所述的反应器本体（5）主体部分由不锈钢制成，能承受10 MPa的压力。
5.根据权利要求3所述的基于水合物水蒸气吸附法的污水处理装置，其特征在于，所述冷却盘管（4）对应的反应器本体（5）外侧壁选用导热系数小于0.25 W/(m·K)耐高压的隔热材料与其他外侧壁面相接，以减少冷量的散失。
6.采用权利要求1-5任一所述的基于水合物水蒸气吸附法的污水处理装置的方法，其特征在于，包括处理步骤如下：
步骤1，进水：污水储存箱（13）内的污水输送至反应器本体（5）中；待输送污水体积达到本次处理污水量后，完成进水；
步骤2，注气：气瓶（14）中的高压气体水合剂通入至反应器本体（5）中；待反应器本体（5）内部压力达到污水处理所需压力时，完成注气；
步骤3，反应：降低冷却壁面温度至反应所需温度，启动磁力搅拌器（6），加快污水蒸发速度；蒸发上升的水蒸气及冷凝水与气体水合剂在冷却壁面上反应生成固体水合物，通过反应消耗水蒸气促使污水蒸发不断进行；
步骤4，分离：冷却壁面上生成的水合物晶体不断堆积增厚，启动刮壁装置，将冷却壁面上生成的水合物晶体刮落；计算机控制系统（18）定期启动关闭刮壁装置，周期性刮落侧壁上生成的水合物晶体，直至一批次污水处理完成；
步骤5，分解：刮落的水合物晶体掉落至反应器本体（5）水合物生成分解腔底部，水合物在常温下快速分解为气体和淡水；水合物分解释放气体收集至气体回收装置（10），待纯化后回收循环利用；分解生成的淡水流至淡水箱（8）；反应器本体（5）的污水蒸发腔底剩余的浓缩污水输送至废液罐（11）；
步骤6，循环：待水合物完全分解后，完成一次的污水处理，关闭所有阀门，重复步骤（1）~（5），实现污水连续处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的气体水合剂选用在2~8 °C反应温度条件下生成水合物相平衡压力为0.1~10 MPa的气体分子。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的气体水合剂为二氧化碳、丙烷中的一种或两种。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述输送至反应器本体（5）中所处理的污水为含有多种污染物的复杂污水，污水温度为20~25 °C，污水流速控制在1.0~3.0 m/s，污水输送量为反应器本体（5）污水蒸发区容积的70%~80%。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的磁力搅拌器（6）搅拌速度控制在400~800 rpm，以加快污水蒸发速度；根据处理污水浓度调整冷却壁面温度，温度控制在2~8°C，温度及压力控制在水合物相平衡曲线以上，气体水合剂与蒸发的水蒸气在制冷壁面上生成水合物，促进污水蒸发区的污水蒸发过程不断进行。
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