申请日2018.10.15
公开(公告)日2018.12.14
IPC分类号C02F11/12
摘要
基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统及方法，属于污泥处理技术领域，解决了现有污泥冻融脱水方法耗能高和脱水效率低的问题。本发明所述的污泥冻融脱水系统不仅采用太阳能半导体制冷制热装置来实现污泥冻融过程中的冷、热量供应，而且利用太阳能半导体制冷制热装置工作中产生的余热和余冷对污泥进行加热和冷冻，进而解决了现有污泥冻融脱水方法耗能高的问题。另一方面，本发明所述的污泥冻融脱水系统采用太阳能半导体制冷制热装置和相应的仓体来人为营造污泥的冻、融环境，这种依靠人工冷、热源来实现污泥冻融的方式不受季节限制，可以人为设定冻、融周期，进而解决了现有污泥冻融脱水方法脱水效率低的问题。
权利要求书
1.基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，其特征在于，所述污泥冻融脱水系统包括太阳能半导体制冷制热装置和污泥冻融脱水装置;
太阳能半导体制冷制热装置包括第一半导体制冷单元和第二半导体制冷单元;
污泥冻融脱水装置包括污泥预处理单元和污泥深度处理单元;
污泥预处理单元用于对添加有秸秆碎片、沸石颗粒、活性炭颗粒或者废铁屑的污泥进行搅拌，进而使污泥与添加物充分混合;
污泥深度处理单元包括一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓;
第一半导体制冷单元工作于制冷模式，其冷端和热端分别为二级冷冻仓的冷源和一级加热仓的热源;
第二半导体制冷单元工作于制热模式，其冷端和热端分别为一级冷冻仓的冷源和二级加热仓的热源;
一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓按照预定的污泥深度处理顺序对预处理后的污泥进行冷冻或加热，进而实现污泥的循环冻融脱水。
2.如权利要求1所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，其特征在于，污泥预处理单元包括预处理仓和搅拌机构;
搅拌机构包括电动机、搅拌轴、多个搅拌桨、第一轴承和第二轴承;
在预处理仓内设置有竖直隔板，竖直隔板将预处理仓自前向后分隔为电动机放置仓和污泥搅拌仓;
电动机设置在电动机放置仓内，搅拌轴与电动机的转轴联动;
第一轴承水平固设在竖直隔板上，并贯穿竖直隔板;
第二轴承水平固设在预处理仓的后端板上;
搅拌轴的后端经第一轴承进入污泥搅拌仓内，并延伸至第二轴承内;
多个搅拌桨均同轴固设在搅拌轴上，并在污泥搅拌仓内沿水平方向等间距分布。
3.如权利要求2所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，其特征在于，二级冷冻仓的第一侧壁与一级加热仓的第一侧壁相对设置，在二者之间紧密设置有第一固定板;
一级冷冻仓的第一侧壁与二级加热仓的第一侧壁相对设置，在二者之间紧密设置有第二固定板;
第一半导体制冷单元嵌设在第一固定板中，其冷端和热端分别超出第一固定板的两侧，该冷端在贯穿二级冷冻仓的第一侧壁后进入二级冷冻仓，该热端在贯穿一级加热仓的第一侧壁后进入一级加热仓;
第二半导体制冷单元嵌设第二固定板中，其冷端和热端分别超出第二固定板的两侧，该冷端在贯穿一级冷冻仓的第一侧壁后进入一级冷冻仓，该热端在贯穿二级加热仓的第一侧壁后进入二级加热仓。
4.如权利要求3所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，其特征在于，所述污泥冻融脱水系统还包括污泥容纳装置;
预处理后的污泥经污泥容纳装置搁置在一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓内，以及在一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓之间转移;
污泥容纳装置包括筛盘和筛网，筛网沿筛盘的外沿分布并能够在筛盘的轴向上整体伸缩;
当对预处理后的污泥进行冷冻或加热时，筛盘置于其所在仓的底板上;
在一级加热仓的第二侧壁上和二级加热仓的第二侧壁上分别设置有第一溢流管和第二溢流管，第一溢流管和第二溢流管的标高均小于筛盘厚度。
5.如权利要求4所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，其特征在于，所述污泥冻融脱水系统还包括制冷制热时间控制装置;
制冷制热时间控制装置用于根据预设的控制指令，控制第一半导体制冷单元和第二半导体制冷单元的工作时间。
6.如权利要求5所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，其特征在于，所述污泥冻融脱水系统还包括温度测量装置;
温度测量装置包括第一温度传感单元～第四温度传感单元、温度数据采集单元和温度数据显示单元;
第一温度传感单元～第四温度传感单元分别用于实时测量一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓内的温度数据;
温度数据采集单元用于同时无线采集第一温度传感单元～第四温度传感单元测量到的温度数据;
温度数据显示单元用于显示温度数据采集单元采集到的温度数据。
7.如权利要求6所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，其特征在于，所述污泥冻融脱水系统还包括红外热成像装置;
红外热成像装置用于同时采集并显示一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓内部的红外热像图;
红外热成像装置包括第一红外探测单元～第四红外探测单元;
在一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓的仓盖上分别设置有第一红外观察窗～第四红外观察窗，第一红外探测单元～第四红外探测单元分别经第一红外观察窗～第四红外观察窗接收来自对应仓内的热辐射。
8.如权利要求7所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，其特征在于，太阳能半导体制冷制热装置还包括太阳能光电转换单元、数控匹配单元和储能单元;
太阳能光电转换单元用于通过数控匹配单元为所述污泥冻融脱水系统的各个用电设备供电，以及为储能单元充电;
数控匹配单元用于使所述污泥冻融脱水系统的电能传输始终处于最佳匹配状态，并对储能单元的过充、过放进行控制;
储能单元用于在太阳能光电转换单元无输出时为所述污泥冻融脱水系统的各个用电设备供电;
制冷制热时间控制装置通过数控匹配单元控制第一半导体制冷单元和第二半导体制冷单元的工作时间。
9.如权利要求8所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，其特征在于，第一半导体制冷单元的冷端和热端以及第二半导体制冷单元的冷端和热端均采用风冷、水冷、热管或者自然对流的散热方式;
在一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓的内、外表面上均设置有保温隔热层;
第一固定板和第二固定板均为硬质保温隔热板;
第一红外观察窗～第四红外观察窗均采用保温隔热玻璃制成。
10.基于权利要求1所述的污泥冻融脱水系统的污泥冻融脱水方法，其特征在于，所述污泥冻融脱水方法包括：
步骤一、通过对待处理污泥进行取样得到试验污泥，并采用污泥预处理单元对添加有秸秆碎片、沸石颗粒、活性炭颗粒或者废铁屑的试验污泥进行搅拌，使试验污泥与添加物充分混合;
步骤二、将预处理后的试验污泥等体积分为第一批次试验污泥～第四批次试验污泥;
步骤三、依次采用二级冷冻仓、一级加热仓、二级加热仓和一级冷冻仓对第一批次试验污泥进行单次处理时间为T小时的循环式深度处理，直至第一批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第一批次试验污泥的最优处理次数;
步骤四、依次采用一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓对第二批次试验污泥进行单次处理时间为T小时的循环式深度处理，直至第二批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第二批次试验污泥的最优处理次数;
步骤五、依次采用一级加热仓、二级加热仓、一级冷冻仓和二级冷冻仓对第三批次试验污泥进行单次处理时间为T小时的循环式深度处理，直至第三批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第三批次试验污泥的最优处理次数;
步骤六、依次采用二级加热仓、一级冷冻仓、二级冷冻仓和一级加热仓对第四批次试验污泥进行单次处理时间为T小时的循环式深度处理，直至第四批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第四批次试验污泥的最优处理次数;
步骤七、取第一批次试验污泥～第四批次试验污泥的最优处理次数的平均值，并将向上取整后的平均值记为单批次污泥的最优处理次数;
步骤八、在余下的待处理污泥中取出与试验污泥等体积的污泥，在污泥中添加同种类、等质量的添加物，并采用污泥预处理单元对污泥进行搅拌，使污泥与添加物充分混合;
步骤九、将污泥等体积分为第一批次污泥～第四批次污泥;
步骤十、依次采用二级冷冻仓、一级加热仓、二级加热仓和一级冷冻仓对第一批次污泥进行循环式深度处理，依次采用一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓对第二批次污泥进行循环式深度处理，依次采用一级加热仓、二级加热仓、一级冷冻仓和二级冷冻仓对第三批次污泥进行循环式深度处理，依次采用二级加热仓、一级冷冻仓、二级冷冻仓和一级加热仓对第四批次污泥进行循环式深度处理;
四批次污泥的循环式深度处理同时进行，每批次污泥的单次处理时间均为T小时，每批次污泥的循环式深度处理的处理次数均为单批次污泥的最优处理次数。
说明书
基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统及方法
技术领域
本发明涉及一种污泥冻融脱水系统及方法，属于污泥处理技术领域。
背景技术
污泥处理是对污泥进行减量化、稳定化和无害化处理的过程。污水处理程度越高，就会产生越多的污泥残余物需要加以处理。除非是利用土地处理或污水塘处理污水，否则一般的污水处理厂必须设有污泥处理设施。对现代化的污水处理厂而言，污泥的处理与处置已成为污水处理系统运行中最复杂且花费最高的一部分。
污泥脱水是污泥处理的重要环节，主要用于实现污泥的减量化。现有的污泥脱水方法主要包括热处理法、冻融法、超声波法、微波法、化学处理法和生物处理法。这其中，冻融法因能够改变污泥中的絮体结构，促进污泥胞内冰晶的生长，促使细胞膜和细胞质的破坏，有效地降低污泥含水率而受到了越来越多的关注和应用。
然而，现有的污泥冻融脱水方法仍然存在以下问题：
一、在污泥冻融的过程中需要大量的冷、热量供应，由此引发的高能耗问题严重制约了现有污泥冻融脱水方法的推广、普及和规模化应用。
二、现有的污泥冻融脱水方法通常借助自然环境来实现污泥的冻与融，这种依赖自然环境来实现污泥冻融的方式不仅受季节限制而且冻、融周期较长，无法高效地实现污泥的冻融脱水。
发明内容
本发明为解决现有污泥冻融脱水方法耗能高和脱水效率低的问题，提出了一种基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统及方法。
本发明所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统包括太阳能半导体制冷制热装置和污泥冻融脱水装置;
太阳能半导体制冷制热装置包括第一半导体制冷单元和第二半导体制冷单元;
污泥冻融脱水装置包括污泥预处理单元和污泥深度处理单元;
污泥预处理单元用于对添加有秸秆碎片、沸石颗粒、活性炭颗粒或者废铁屑的污泥进行搅拌，进而使污泥与添加物充分混合;
污泥深度处理单元包括一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓;
第一半导体制冷单元工作于制冷模式，其冷端和热端分别为二级冷冻仓的冷源和一级加热仓的热源;
第二半导体制冷单元工作于制热模式，其冷端和热端分别为一级冷冻仓的冷源和二级加热仓的热源;
一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓按照预定的污泥深度处理顺序对预处理后的污泥进行冷冻或加热，进而实现污泥的循环冻融脱水。
作为优选的是，污泥预处理单元包括预处理仓和搅拌机构;
搅拌机构包括电动机、搅拌轴、多个搅拌桨、第一轴承和第二轴承;
在预处理仓内设置有竖直隔板，竖直隔板将预处理仓自前向后分隔为电动机放置仓和污泥搅拌仓;
电动机设置在电动机放置仓内，搅拌轴与电动机的转轴联动;
第一轴承水平固设在竖直隔板上，并贯穿竖直隔板;
第二轴承水平固设在预处理仓的后端板上;
搅拌轴的后端经第一轴承进入污泥搅拌仓内，并延伸至第二轴承内;
多个搅拌桨均同轴固设在搅拌轴上，并在污泥搅拌仓内沿水平方向等间距分布。
作为优选的是，二级冷冻仓的第一侧壁与一级加热仓的第一侧壁相对设置，在二者之间紧密设置有第一固定板;
一级冷冻仓的第一侧壁与二级加热仓的第一侧壁相对设置，在二者之间紧密设置有第二固定板;
第一半导体制冷单元嵌设在第一固定板中，其冷端和热端分别超出第一固定板的两侧，该冷端在贯穿二级冷冻仓的第一侧壁后进入二级冷冻仓，该热端在贯穿一级加热仓的第一侧壁后进入一级加热仓;
第二半导体制冷单元嵌设第二固定板中，其冷端和热端分别超出第二固定板的两侧，该冷端在贯穿一级冷冻仓的第一侧壁后进入一级冷冻仓，该热端在贯穿二级加热仓的第一侧壁后进入二级加热仓。
作为优选的是，所述污泥冻融脱水系统还包括污泥容纳装置;
预处理后的污泥经污泥容纳装置搁置在一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓内，以及在一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓之间转移;
污泥容纳装置包括筛盘和筛网，筛网沿筛盘的外沿分布并能够在筛盘的轴向上整体伸缩;
当对预处理后的污泥进行冷冻或加热时，筛盘置于其所在仓的底板上;
在一级加热仓的第二侧壁上和二级加热仓的第二侧壁上分别设置有第一溢流管和第二溢流管，第一溢流管和第二溢流管的标高均小于筛盘厚度。
作为优选的是，所述污泥冻融脱水系统还包括制冷制热时间控制装置;
制冷制热时间控制装置用于根据预设的控制指令，控制第一半导体制冷单元和第二半导体制冷单元的工作时间。
作为优选的是，所述污泥冻融脱水系统还包括温度测量装置;
温度测量装置包括第一温度传感单元～第四温度传感单元、温度数据采集单元和温度数据显示单元;
第一温度传感单元～第四温度传感单元分别用于实时测量一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓内的温度数据;
温度数据采集单元用于同时无线采集第一温度传感单元～第四温度传感单元测量到的温度数据;
温度数据显示单元用于显示温度数据采集单元采集到的温度数据。
作为优选的是，所述污泥冻融脱水系统还包括红外热成像装置;
红外热成像装置用于同时采集并显示一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓内部的红外热像图;
红外热成像装置包括第一红外探测单元～第四红外探测单元;
在一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓的仓盖上分别设置有第一红外观察窗～第四红外观察窗，第一红外探测单元～第四红外探测单元分别经第一红外观察窗～第四红外观察窗接收来自对应仓内的热辐射。
作为优选的是，太阳能半导体制冷制热装置还包括太阳能光电转换单元、数控匹配单元和储能单元;
太阳能光电转换单元用于通过数控匹配单元为所述污泥冻融脱水系统的各个用电设备供电，以及为储能单元充电;
数控匹配单元用于使所述污泥冻融脱水系统的电能传输始终处于最佳匹配状态，并对储能单元的过充、过放进行控制;
储能单元用于在太阳能光电转换单元无输出时为所述污泥冻融脱水系统的各个用电设备供电;
制冷制热时间控制装置通过数控匹配单元控制第一半导体制冷单元和第二半导体制冷单元的工作时间。
作为优选的是，第一半导体制冷单元的冷端和热端以及第二半导体制冷单元的冷端和热端均采用风冷、水冷、热管或者自然对流的散热方式;
在一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓的内、外表面上均设置有保温隔热层;
第一固定板和第二固定板均为硬质保温隔热板;
第一红外观察窗～第四红外观察窗均采用保温隔热玻璃制成。
本发明所述的污泥冻融脱水方法基于所述污泥冻融脱水系统来实现，该方法包括：
步骤一、通过对待处理污泥进行取样得到试验污泥，并采用污泥预处理单元对添加有秸秆碎片、沸石颗粒、活性炭颗粒或者废铁屑的试验污泥进行搅拌，使试验污泥与添加物充分混合;
步骤二、将预处理后的试验污泥等体积分为第一批次试验污泥～第四批次试验污泥;
步骤三、依次采用二级冷冻仓、一级加热仓、二级加热仓和一级冷冻仓对第一批次试验污泥进行单次处理时间为T小时的循环式深度处理，直至第一批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第一批次试验污泥的最优处理次数;
步骤四、依次采用一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓对第二批次试验污泥进行单次处理时间为T小时的循环式深度处理，直至第二批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第二批次试验污泥的最优处理次数;
步骤五、依次采用一级加热仓、二级加热仓、一级冷冻仓和二级冷冻仓对第三批次试验污泥进行单次处理时间为T小时的循环式深度处理，直至第三批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第三批次试验污泥的最优处理次数;
步骤六、依次采用二级加热仓、一级冷冻仓、二级冷冻仓和一级加热仓对第四批次试验污泥进行单次处理时间为T小时的循环式深度处理，直至第四批次试验污泥的含水率达到预定的含水率，并将循环式深度处理环节的处理次数记为第四批次试验污泥的最优处理次数;
步骤七、取第一批次试验污泥～第四批次试验污泥的最优处理次数的平均值，并将向上取整后的平均值记为单批次污泥的最优处理次数;
步骤八、在余下的待处理污泥中取出与试验污泥等体积的污泥，在污泥中添加同种类、等质量的添加物，并采用污泥预处理单元对污泥进行搅拌，使污泥与添加物充分混合;
步骤九、将污泥等体积分为第一批次污泥～第四批次污泥;
步骤十、依次采用二级冷冻仓、一级加热仓、二级加热仓和一级冷冻仓对第一批次污泥进行循环式深度处理，依次采用一级冷冻仓、二级冷冻仓、一级加热仓和二级加热仓对第二批次污泥进行循环式深度处理，依次采用一级加热仓、二级加热仓、一级冷冻仓和二级冷冻仓对第三批次污泥进行循环式深度处理，依次采用二级加热仓、一级冷冻仓、二级冷冻仓和一级加热仓对第四批次污泥进行循环式深度处理;
四批次污泥的循环式深度处理同时进行，每批次污泥的单次处理时间均为T小时，每批次污泥的循环式深度处理的处理次数均为单批次污泥的最优处理次数。
本发明所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，采用太阳能半导体制冷制热装置来实现污泥冻融过程中的冷、热量供应。除此之外，一级加热仓利用第一半导体制冷单元制冷过程中产生的余热对污泥进行加热，一级冷冻仓利用第二半导体制冷单元制热过程中产生的余冷对污泥进行冷冻。因此，本发明所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统因采用可再生能源作为工作能源以及充分利用半导体制冷单元工作中产生的余冷和余热而有效地解决了现有污泥冻融脱水方法耗能高、不经济的问题。
本发明所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统，采用太阳能半导体制冷制热装置和相应的仓体来人为营造污泥的冻、融环境，这种依靠人工冷、热源来实现污泥冻融的方式不仅不受季节限制，而且可以人为设定冻、融周期。因此，本发明所述的基于太阳能半导体制冷制热技术的污泥冻融脱水系统能够高效地实现污泥的冻融脱水。