一种水处理设备、系统和方法
阅读说明：本技术 一种水处理设备、系统和方法 (Water treatment equipment, system and method ) 是由 陈栋 张朝升 洪庆辉 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水处理设备,包括外筒体、内筒体和驱动装置,所述内筒体固接于外筒体内,所述驱动装置用于驱动内筒体在外筒体内转动,所述内筒体的筒底和筒壁设有多个脱水孔,所述外筒体底部设有浓缩液出口和淡水出口；所述内筒体的上部设有进料管；所述水处理设备处理的液体为过冷液体。本发明所述水处理设备处理的原水为过冷液体,通过将过冷液体经过在水处理设备中进行过冷水动态制冰、重力过滤和离心分离,实现原水中淡水和杂质的分离。该设备具有水处理成本低,适用性广泛的特点,可用于各种工业废水处理(包括强酸性、强碱性)和海水淡化。本发明还公开了包含该水处理设备的水处理系统。本发明还公开了水处理方法。(The invention discloses water treatment equipment, which comprises an outer barrel, an inner barrel and a driving device, wherein the inner barrel is fixedly connected in the outer barrel, the driving device is used for driving the inner barrel to rotate in the outer barrel, the barrel bottom and the barrel wall of the inner barrel are provided with a plurality of dewatering holes, and the bottom of the outer barrel is provided with a concentrated solution outlet and a fresh water outlet; a feeding pipe is arranged at the upper part of the inner cylinder body; the liquid treated by the water treatment equipment is supercooled liquid. Raw water treated by the water treatment equipment is supercooled liquid, and the supercooled liquid is subjected to dynamic ice making, gravity filtration and centrifugal separation of supercooled water in the water treatment equipment, so that separation of fresh water and impurities in the raw water is realized. The equipment has the characteristics of low water treatment cost and wide applicability, and can be used for various industrial wastewater treatments (including strong acidity and strong basicity) and seawater desalination. The invention also discloses a water treatment system comprising the water treatment equipment. The invention also discloses a water treatment method.)
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种水处理设备、系统和方法。
背景技术
电镀废水中含有大量重金属，对环境和人体有害。同时，这些重金属的回收价值高。如何转废为宝，实现清洁生产，是电镀废水处理技术的关键研究方向。
现行的电镀工艺，均在每个电镀槽后，设置逆流多级水洗池对镀件进行水洗，洗去镀件表面附着的电镀液，才能进入到下一道电镀程序。镀件水洗废水一般超过电镀厂总废水量的85％，是电镀废水处理的最大对象。每道电镀工艺完成后，对镀件的逆流多级水洗，实际上是对被镀件表面附着的电镀液进行逐级稀释的过程。
电镀废水处理的发展趋势是清洁生产。清洁生产，是指采用先进的工艺技术与设备，从源头削减污染，提高资源利用效率，减少或者避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放。对电镀水洗废水浓缩，回用于电镀槽，可达到清洁生产的目的。实际应用的电镀水洗废水浓缩有反渗透和蒸发浓缩。
反渗透法被用于镀镍水洗废水浓缩回用于电镀槽，取得了很好的经济回报。但，常用的电镀工艺中，酸铜工艺、焦铜工艺、镀铬工艺水洗废水为pH值小于2的强酸性，碱铜工艺、锌酸盐镀锌工艺水洗废水为pH值大于12的强碱性，均超出了现有反渗透膜的容许pH值范围。
蒸发浓缩法，是对电镀废水在常压或减压状态下加温，使溶剂水分蒸发而将废水浓缩的方法。浓缩的溶液可返回电镀槽，蒸发后的水蒸气经冷凝回收后可作为清洗水。但蒸发浓缩法能耗大，成本高。现在在电镀废水处理中，蒸发浓缩法单独使用的很少，一般作为组合处理中的一个环节，如处理反渗透的浓缩液。
水在结晶过程中，会自动排除杂质，以保持其纯净，冷冻法水处理技术正是利用这一基本原理。冷冻水处理法应用范围广，对废水几乎无选择性，对难降解废水(特别是有毒、重金属废水)的处理有着明显优势。冷冻法能耗远低于浓缩蒸发等工艺。100℃时的汽化潜热为2257.2kJ/kg，水的固化潜热为335kJ/kg，蒸发浓缩的理论能耗是冷冻浓缩的7倍。冷冻浓缩采用常压热泵技术,热泵平均冷冻能耗是理论能耗的1/3。热泵的制冷端(蒸发器)降温制冰的同时，会向散热端(冷凝器)转移相近的热量用于融冰，不需要额外的热能融冰。而蒸发浓缩需要额外的冷源对蒸汽降温。
过冷水动态制冰是在冰蓄冷空调中使用的最新制冰技术。水达到冰点温度(自来水在标准大气压下的冰点温度为0℃)后，水不会马上结冰，而会出现过冷现象，自来水的安全过冷度在-3.8℃。过冷水处于一种亚稳定状态，当水温度低过过冷度时，冰晶才会出现。但，当人为破坏这样亚稳定状态，不需要超过到过冷度，也会形成冰晶。因为不用达到过冷度成冰，而且冰晶小固液间传热效率高，过冷水动态制冰冷冻法比其它现有的制冰法，有更高的制冰率和能量效率。过冷水动态制冰法能形成细小的冰晶，冰晶会有更高的纯度。过冷水动态制冰成冰过程为动态过程，冰晶和水不断相互运动，更容易实现冰晶和水的自动分离。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种水处理设备、系统和方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种水处理设备，包括外筒体、内筒体和驱动装置，所述内筒体固接于外筒体内，所述驱动装置用于驱动内筒体在外筒体内转动，所述内筒体的筒底和筒壁上设有多个脱水孔，所述内筒体内壁上设有滤布，所述外筒体底部设有浓缩液出口和淡水出口；所述内筒体的上部设有进料管；所述水处理设备处理的液体为过冷液体。
本发明所述水处理设备处理的为过冷液体，通过将过冷液体从进料管流至内筒体的流动状态形成过冷水动态制冰的条件，随着过冷水的流动，逐渐在内筒体的内壁形成冰晶，原水中的杂质和未冻结的液体则从脱水孔流出形成浓缩液，随着时间的增长，冰晶越来越多，冰晶达到一定高度后，驱动装置驱动内筒体离心运动，将冰晶表面残留的杂质离心分离脱出，得到含杂质浓度低的冰晶和浓缩液，实现原水中淡水和杂质的分离。最后，将浓缩液从浓缩液出口流出，冰晶可以待融化或加入淡水形成冰浆后从淡水出口流出。该设备具有水处理成本低，适用性广泛的特点，可用于各种工业废水处理(比如可以对强酸性、微酸性、强碱性的电镀水洗废水进行冷冻处理，解决电镀废水处理满足清洁生产要求的问题)和海水淡化。
所述滤布的孔径小于脱水孔的孔径。可以将滤布孔径尺寸设计成能使浓缩液流出且使冰晶滞留于内筒体内的尺寸。
优选地，所述内筒体内设有至少一块隔板，所述隔板通过内筒体的中心轴线或者平行于内筒体的中心轴线与内筒体的内壁固接。隔板的设置一方面是为了避免已制成的冰晶被漫过的废水污染，在内筒体内固定设置隔板将内筒体分隔成不同的区域，当其中一个区域内的冰晶达到一定高度时，将进料管移至另外的区域进原液，杂质去除率更高；另一方面是使从进料管进入水处理设备的原水冲击隔板，破坏稳定性，形成过冷水动态制冰的条件，形成冰晶，否则若过冷水从进料管直接流入内筒体中则可能由于内筒体内液体的缓冲，导致冰晶难以形成隔板更优选采用通过内筒体的中心轴线的方式设置。隔板的高度优选低于内筒体的高度。优选地，所述循环泵的泵压可以使所述进料管的原水冲击隔板，并有一定的冲击力破坏过冷水的稳定性。
优选地，所述内筒体内设有固体感应器，所述固体感应器与驱动装置电性相连，当内筒体内冰晶达到设定高度，所述固体感应器控制驱动装置驱动内筒体转动设定角度；当内筒体内每个区域冰晶均达到设定高度，所述固体感应器控制浓缩液出口打开并控制驱动装置驱动内筒体离心转动。
所述转动角度根据内筒体的隔板分的区域而定，转动角度满足转动后使进料管管口位于在另一个区域的上方，若隔板设置为2块通过内筒体的中心轴线并与内筒体的内壁固接，两块隔板相互垂直，即隔板将内筒体均分为四个区域，当其中一个区域内的冰晶达到设定高度，可设定固体感应器控制驱动装置驱动内筒体转动90°，使进料管管口位于另一区域的上方继续形成冰晶，直至每个区域的冰晶均达到设定高度，所述固体感应器控制浓缩液出口打开放出浓缩液并控制驱动装置驱动内筒体离心转动。所述水处理设备的处理能力根据内筒体的体积决定。
优选地，所述内筒体上方设有布水器，所述布水器用于提供淡水，使其与冰晶混合形成冰浆从内筒体上脱落流出。
优选地，所述内筒体底部还设有原水出口，所述原水出口与进料管相连。所述过冷液体在结晶过程中，未结晶的液体循环回到进料管继续循环结晶，随着时间的延长，浓缩液的浓度越来越高，优选在原水出口与进料管管口之间设置制冷系统，所述制冷系统用于补偿流动过程中热量损失，保持液体的温度。
本发明的目的还在于提供一种水处理系统，包括上述所述水处理设备和制冷系统，所述制冷系统用于将原液制成过冷液体。
优选地，所述制冷系统包括原水预冷调节池，所述原水预冷调节池的出液口与所述水处理设备相连，所述水处理设备上设有原水出口，所述原水出口通过循环泵依次与蒸发器、所述水处理设备的进料管相连；浓缩液出口依次通过第一冷凝池、原水预冷调节池与浓缩水池相连，淡水出口依次通过第二冷凝池、原水预冷调节池与淡水水池相连。
水处理设备中形成浓缩液和冰晶，打开浓缩液出口放出浓缩液流经第一冷凝池和原水预冷调节池至浓缩水池；冰晶经过与淡水混合后通过搅拌或启动驱动设备使内筒体转动混合形成冰浆，打开淡水出口放出冰浆流经第二冷凝池和原水预冷调节池至淡水池，原水在预冷调节池中的原水与低温的浓缩液和低温的淡水换热后得到初步降温，然后进入水处理设备，从水处理设备上的原水出口流出后流入蒸发器，蒸发器流出后从进料管进入水处理设备，原水在水处理设备和蒸发器之间循环直至温度降低形成过冷液体后形成冰晶。
优选地，所述制冷系统还包含辅助冷凝器，所述辅助冷凝器的冷媒通过管道依次流经节流阀、蒸发器、压缩机、第一冷凝池和第二冷凝池。所述辅助冷凝器用于系统启动初期系统的制冷和系统工作过程中的辅助散热。优选地，所述第一冷凝池和第二冷凝池中的冷媒管道设于第一冷凝池和第二冷凝池的底部。
优选地，第二冷凝池底部设有淡水循环管，所述淡水循环管与所述布水器相连。将冰晶融化后的淡水循环用于内筒体中的冰晶的脱离，形成冰浆。
优选地，所述第一冷凝池和第二冷凝池的进水管均设于最高液面以上，出水管设于底部，出水管管顶设置虹吸破坏孔。
优选地，所述制冷系统还包括原水升温系统，所述原水升温系统用于将进入循环泵的原水升温至≥0℃。冰晶堵塞循环泵及循环泵前管道是现有的过冷水动态制冰过程普遍存在的问题，因此，原水经过蒸发器制冷后形成过冷水，过冷水经过水处理设备后温度仍然较低，若继续循环至蒸发器则容易导致在循环泵及循环泵前管道形成冰晶，堵塞循环泵，因此设置原水升温系统将水处理设备之后与循环泵之前的原水进行升温。
优选地，所述循环泵的出水管路上设有原水支路，所述原水支路流经辅助冷凝器回到循环泵的进水管路上。优选采用上述方式升温，可以控制升温的温度约为0℃并节约系统的能源。
本发明还公开了一种水处理方法，包括以下步骤：
S1、将原水降温得到过冷液体，将过冷液体采用过冷水动态制冰方法冷冻成冰晶；
S2、将过冷液体采用重力过滤将冰与浓缩原水进行分离；
S3、通过离心脱除冰表面附着的浓缩原水，得浓缩原水和低浓度冰晶。
本发明所述水处理方法采用将原水形成过冷液体并采用动态制冰、重力过滤和离心分离将杂质和淡水分离。发明人发现，对废水进行过冷水动态制冰形成的冰晶本身具有很高的水纯度，冰晶内裹挟的杂质量很小，杂质主要存在于附着于冰晶表面附着的浓缩废水和冰晶之间缝隙中存在的浓缩废水，通过重力过滤和离心分离的方法可以实现较高的杂质去除率，可根据实际需要对得到的低浓度冰晶进行再次分离净化。
优选地，所述浓缩原水和/或低浓度冰晶用于原水预冷处理。本发明所述水处理方法采用将原水形成过冷液体并采用动态制冰、重力过滤和离心分离将杂质和淡水分离。
优选地，所述低浓度冰晶的厚度为0.5～1mm。发明人发现，厚度为0.5～1mm的冰晶时杂质去除率效果较高。
优选地，所述原水为电镀废水，所述过冷液体的温度为-1～-2.5℃。对于电镀废水而言，过冷液体温度为-1～-2.5℃时杂质去除效率较高，尤其是过冷液体温度为-1.5～-2.5℃时杂质去除效率最高。
所述水处理的具体方法为：原水在预冷调节池初步降温后进入水处理设备，从水处理设备上的原水出口流出后流入蒸发器，蒸发器流出后从进料管进入水处理设备，原水在水处理设备和蒸发器之间循环直至温度降低形成过冷液体后形成冰晶，未形成冰晶的为浓缩液；打开浓缩液出口放出浓缩液流经第一冷凝池和原水预冷调节池至浓缩水池；冰晶经过与淡水混合后通过搅拌或启动驱动设备使内筒体转动混合形成冰浆，打开淡水出口放出冰浆流经第二冷凝池和原水预冷调节池至淡水池，原水在预冷调节池中的原水与低温的浓缩液和低温的淡水换热后得到初步降温。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种水处理设备。本发明所述水处理设备处理的原水为过冷液体，通过将过冷液体经过在水处理设备中进行过冷水动态制冰、重力过滤和离心分离，实现原水中淡水和杂质的分离。该设备具有水处理成本低，适用性广泛的特点，可用于各种工业废水处理(比如对强酸性、微酸性、强碱性的三种电镀水洗废水进行冷冻处理，解决电镀废水处理满足清洁生产要求的问题)和海水淡化。本发明还提供了一种水处理系统，所述水处理系统能节能高效地实现水处理。本发明还提供了一种水处理方法，采用该方法能实现浓缩水和淡水的回收利用。
附图说明
图1、2为实施例1所述水处理设备的结构示意图；
图3为实施例2所述水处理系统的结构示意图；
图4为实施例1所述水处理设备注水状态示意图；
图5为实施例1所述水处理设备冷冻分离状态示意图；
图6为实施例1所述水处理设备离心分离状态示意图；
图7为实施例2中第二冷凝池的结构示意图；
图8为镀镍工艺洗涤废水冰晶离心脱水实验结果；
其中，1、水处理设备；2、原水预冷调节池；3、蒸发器；4、第一冷凝池；5、浓缩水池；6、第二冷凝池；7、淡水水池；8、辅助冷凝器；9、节流阀；10、压缩机；11、布水器；12、过滤器；13、第一循环泵；14第二循环泵；15、流量调节阀；16、第三循环泵；101、外筒体；102、内筒体；103、驱动装置；104、浓缩液出口；105、淡水出口；106、进料管；107、滤布；108、隔板；109、布水器；110、原水出口；111、支架；601、第二冷凝池的进水管；602、第二冷凝池的出水管；603、虹吸破坏孔；604、淡水循环管。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述水处理设备的一种实施例，本实施例所述水处理设备的结构示意图见图1～2；包括外筒体101、内筒体102和驱动装置103，所述内筒体102固接于外筒体101内，所述驱动装置103用于驱动内筒体102在外筒体101内转动，所述内筒体102的筒底和筒壁上设有多个脱水孔，所述外筒体底部设有浓缩液出口104和淡水出口105；所述内筒体的上部设有进料管106。
所述内筒体102内壁设有滤布107，所述滤布107的孔径小于脱水孔的孔径。
所述内筒体内设有两块通过内筒体的中心轴线并与内筒体的内壁固接的隔板108，两块隔板相互垂直，即隔板将内筒体均分为四个区域。
所述内筒体102上方设有布水器109，所述布水器109用于提供淡水，使其与冰晶混合形成冰浆从内筒体壁上脱落流出。
所述内筒体102内设有固体感应器(图中未示出)，所述固体感应器与驱动装置103电性相连，当内筒体内冰晶达到设定高度，所述固体感应器控制驱动装置驱动内筒体102转动设定角度，使未达到设定高度的区域位于进料管的下方，继续形成冰晶，可避免已制成的冰晶被漫过的废水污染；当内筒体内每个区域冰晶均达到设定高度，所述固体感应器控制浓缩液出口打开并控制驱动装置驱动内筒体102离心转动。
所述内筒体102底部还设有原水出口110，所述原水出口110通过制冷装置(图中未示出)与进料管106相连。内筒体和外筒体之间设有支架111。
所述水处理设备工作时，过冷液体从进料管106流至内筒体102的流动状态形成过冷水动态制冰的条件，随着过冷水的流动，逐渐在内筒体的内壁形成冰晶，原水中的杂质则从脱水孔流出形成浓缩液，浓缩液从原水出口110通过制冷装置进入进料管106循环进入内筒体102；随着时间的增长，冰晶越来越多，冰晶达到设定高度后，固体感应器控制开启驱动装置驱动内筒体102转动90°，使进料管管口位于另一区域的上方继续形成冰晶，直至四个区域的冰晶均达到设定高度，固体感应器控制打开浓缩液出口104，然后控制驱动装置103驱动内筒体102离心转动，将冰晶表面残留的杂质离心分离脱出，得到含杂质浓度低的冰晶和浓缩液，实现原水中淡水和杂质的分离。浓缩液从浓缩液出口104放出，冰晶可以待融化或打开布水器109放入淡水，启动驱动装置使内筒体转动使淡水和冰晶混合形成冰浆后从淡水出口105流出。所述设备可用于各种工业废水处理(比如对强酸性、微酸性、强碱性电镀废水)和海水淡化。
实施例2
本发明所述水处理系统的一种实施例，本实施例所述水处理系统的结构示意图见图3；所述水处理系统包括实施例1所述水处理设备1和制冷系统，所述制冷系统包括原水预冷调节池2，所述原水预冷调节池2的出液口通过第一循环泵13与所述水处理设备1相连，所述水处理设备1上设有原水出口，所述原水出口通过第二循环泵14、蒸发器3与所述水处理设备1的进料管相连；浓缩液出口依次通过第一冷凝池4、原水预冷调节池2与浓缩水池5相连，淡水出口依次通过第二冷凝池6、原水预冷调节池2与淡水水池7相连。
所述制冷系统还包含辅助冷凝器8，所述辅助冷凝器8的冷媒通过管道依次流经节流阀9、蒸发器3、压缩机10、第一冷凝池4和第二冷凝池6。所述辅助冷凝器8用于系统启动初期系统的制冷和系统工作过程中的辅助散热。
所述第二循环泵的出水管路上设有原水支路，所述原水支路流经辅助冷凝器8回到第二循环泵的进水管路上，所述原水支路上设有流量调节阀15，通过调节流量调节循环泵之前的原水温度。原水支路的设置用于将水处理设备流出后进入循环泵之前的原水升温至≥0℃。
第二冷凝池6的出液口还与所述布水器11相连。
以处理酸铜电镀水洗废水为例说明本实施例所述废水处理系统的工作流程：
1单位25℃废水原水(Cu2+含量5.13g/L)经过滤器12后，送入原水预冷调节池2，经原水预冷调节池2后，原水降温至11℃；
第一步，注水：打开第一循环泵13，将1单位11℃原水送入水处理设备1，见图4；
第二步，冷冻分离：打开第二循环泵14和辅助冷凝器8，将废水原水在制冷设备的蒸发器3处降温。当废水原水温度达到约-3℃成为过冷废水时，过冷废水通过进料管106将过冷废水喷射在隔板108上，冲击力破坏过冷废水的稳定性，开始形成小冰晶，滤布107和内筒体102上的脱水孔将冰晶和废水分离，冰晶不进入制冷系统，未形成冰晶的原水温度升高至约-1～-2℃，一部分通过第二循环泵14继续流入蒸发器3降温至约-3℃成为过冷废水，一部分通过原水支路辅助冷凝器升温至约0℃回到循环泵的进水管路上进入第二循环泵14。冰晶在上部内筒体102堆积，废水在处理器下部逐渐被浓缩。内筒体102被隔板108分为4格，当1格冰晶堆满后，驱动装置转动内筒体90度，开始在内筒体102下一格制冰，使已制成的冰晶不会被废水漫过污染。当内筒体102的4格都堆积满冰晶后，原废水超过80％被冷冻成冰晶，20％形成浓缩水在处理器下部。见图5。
第三步，离心分离。打开浓缩液出口阀门，将水处理设备1下部浓缩液在管道内流经第一冷凝池4和原水预冷调节池2，最后进入浓缩水池5。然后开动马达高速转动内筒体102，进行离心脱水，将冰晶之间和冰晶表面附着的废水甩出内筒体102。冰晶的纯度可由离心脱水时间控制。实验得出，离心脱水2分钟，此时原废水的Cu2+去除率达到90％，冰晶中Cu2 +浓度为0.51g/L，Cu2+浓度小于第一级水洗槽水洗水浓度(Cu2+含量5.13g/L)的10％，可回用到第一级水洗槽补充新鲜水。此时，冰晶的重量为废水原水的70％，形成的浓缩水总重量为废水原水的30％。见图6。
第四步，排出冰晶。关闭浓缩液出口阀门，打开水处理设备1底部淡水出口，然后启动驱动装置慢速转动内筒体，打开第三循环泵16将淡水水池7中的低温淡水(首次运转时采用自来水)经过布水器11送入内筒体102，冲刷内筒体102内冰晶，形成冰浆。冰浆流入淡水水池7中，当内筒体102内冰晶全部进入淡水水池7中后，关闭第三循环泵16，关闭水处理设备1底部淡水出口。
第二冷凝池6的容积为1.5单位，是为保证与内筒体102离心脱水后形成的纯冰晶混合的淡水量为纯冰晶1倍。第二冷凝池的进水管601为在最高液面上进水，第二冷凝池的出水管602采用溢流出水方式，超过最高水位的水量溢流排出至淡水水池7，保证第二冷凝池6内水量不变，保证第二冷凝池6有足够的换热水量。因第二冷凝池6会有0.7单位的冰晶流入，冰晶因比重小于水，会浮在水池表面，为防止冰晶堵塞出水管，出水管602采用从水池底部出水，管顶设置虹吸破坏孔603，当水池水位低于虹吸破坏孔时，虹吸被破坏，出水管不再出水。淡水循环管604(与布水器相连的管道)采用底部出水。第二冷凝池6的换热盘管，设置在水位下部。见图7。
第一冷凝池4的结构与第二冷凝池6的不同之处仅在于未设置淡水循环管其他设置与第二冷凝池6相同。第一冷凝池4容积也为1.5单位，即提供给辅助冷凝器换热的液体(0℃)合计为3单位。
如果系统是完全封闭的，也就是不和外界发生热交换的绝热状态，蒸发器3吸收的热量和第一冷凝池4和第二冷凝池6释放的热量是相同的。但实际上，特别是对于第一冷凝池4和第二冷凝池6因为温度长期为0℃，大气温度为33℃，在实际上保温无法做到大气热量不传给冷凝器中0℃的水。为平衡热量的传入，制冷循环设置辅助冷凝器8及对应的辅助制冷系统，将大气传入的热量传递到大气中。
0℃的冷媒从辅助冷凝器8流出通过节流阀9降温至-6℃，经过蒸发器3升温至-3℃，经过压缩机10升温至5℃，经过第一冷凝池4和第二冷凝池6后回到辅助冷凝器8中。
实施例3
本发明所述水处理方法的一个实施例，该方法包括以下步骤：
S1、将原水降温得到过冷液体，将过冷液体采用过冷水动态制冰方法冷冻成冰晶；
S2、将过冷液体采用重力过滤将冰与浓缩原水进行分离；
S3、通过离心脱除冰表面附着的浓缩废水，得浓缩废水和低浓度冰晶；
S4、可以根据需要，将步骤S3获得的浓缩原水重复步骤S1～S3。
1、根据电镀厂取样实测一级水洗槽水洗废水溶质各组分浓度，参考电镀液理论配方，配置接近浓度的模拟一级水洗槽水洗废水100L，用实施例2所述水处理系统进行过冷水动态制冰冷冻试验。固液分离方式是重力静态分离，通过内筒体下部1/4的位置的塑料隔网和滤布过滤隔断冰粉，让废水浓缩液靠重力流到制冰桶底部。
测试结果见表1～3。
表1酸铜工艺水洗废水冷冻处理结果
序号
Cu<sup>2+</sup>浓度
SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>浓度
Cl<sup>-</sup>浓度
1
废水原水(mg/L)
2637
9536
118
2
重力分离30分钟浓缩水(mg/L)
6950
23647
307
3
重力分离30分钟冰融水(mg/L)
552
1221
32
4
重力分离30分钟冰融水去除率
79.1％
74.4％
72.8％
5
重力分离18小时冰融水(mg/L)
121.3
619.8
7.2
6
重力分离18小时冰融水去除率
95.4％
93.5％
93.9％
表2镀镍工艺水洗废水冷冻处理结果
序号
Ni<sup>2+</sup>浓度
SO4<sup>2-</sup>浓度
Cl<sup>-</sup>浓度
1
废水原水(mg/l)
1323
2377
485
2
停机5分钟内冰融水(mg/l)
303
625
148
3
停机5分钟内冰融水冰融水去除率
77.1％
73.7％
69.4％
4
重力分离30分钟浓缩水(mg/l)
3757
6200
1230
5
重力分离30分钟冰融水(mg/l)
196
517
116
6
重力分离30分钟冰融水去除率
85.2％
78.3％
76.1％
7
重力分离18小时冰融水(mg/l)
27.8
149.8
33.5
8
重力分离18小时冰融水去除率
97.9％
93.7％
93.1％
表3锌酸盐镀锌工艺水洗废水冷冻处理结果
序号
Zn<sup>2+</sup>浓度
OH<sup>-</sup>浓度
1
废水原水(mg/l)
8834
40110
2
重力分离30分钟浓缩水(mg/l)
22173
96531
3
重力分离30分钟冰融水(mg/l)
2182
11151
4
重力分离30分钟冰融水去除率
75.3％
72.2％
5
重力分离18小时冰融水(mg/l)
539
3770
6
重力分离18小时冰融水去除率
94.0％
90.6％
从表1～3，各水样分析结果可知：过冷水动态制冰冷冻法，对于强酸性电镀废水、微酸性电镀废水、强酸性电镀废水均有相近的处理结果；水洗废水冰融水去除率比较，镀镍>酸铜>锌酸盐镀锌。
以镀镍水洗废水形成的冰融水对Ni2+的去除率为例，重力分离18小时冰融水去除率，比重力分离30分钟冰融水去除率提高了12.7％，比停机5分钟内冰融水去除率提高了20.8％。由此可知：对废水进行过冷水动态制冰形成的冰晶本身具有很高的水纯度，冰晶内裹挟的杂质量很小，杂质主要存在于附着于冰晶表面附着的浓缩废水和冰晶之间缝隙中存在的浓缩废水。
通过试验发现，重力固液分离18小时后，冰晶体积变为原来的40％，冰晶***，出现块结，但通透度相比柔软絮状冰晶提高很多。将2000ml块结冰晶完全融解，得到1610ml水，同时考虑水冻结成冰后体积会增加10％，可得块结冰晶空隙率14.2％。
重力静态分离耗时太长，以镀镍水洗废水冷冻试验为例，重力分离30分钟冰融水Ni2+去除率能达到85.2％，重力静态分离18小时冰融水Ni2+去除率才能达到97.9％，故通过离心分离结合重力分离的方法对附着于冰晶表面的浓缩废水，和冰晶之间缝隙中存在的浓缩废水进行去除。
2、离心分离
离心固液分离试验采用：转速820转/分钟，额定输入功率200W的离心脱水机，最大脱水重量4kg。将由过冷水动态制冰法产生的镀镍工艺水洗废水冰晶2847g，装入滤袋中，放入离心脱水机进行脱水。废水原水Ni2+浓度为1323mg/L，冰晶未脱水前Ni2+浓度303mg/L，见表4。
表4镀镍工艺水洗废水冰晶离心脱水实验
图8为镀镍工艺洗涤废水冰晶离心脱水实验结果，从图8可以看出(1)、脱水减重与脱水Ni2+去除量，基本呈正比关系。(2)、离心脱水时间越长，脱水量急剧下降。脱水2分钟，冰融水Ni2+浓度已经降到了136mg/L，小于实测的电镀厂一级水洗槽废水Ni2+浓度1580mg/L的1/10，冰融水可以用于一级水洗槽补充新鲜水。
采用该方法能取得最大冰冻比约为80％，即80％重量的废水在形成冰晶，20％重量形成浓缩废水。离心脱水2分钟后，从冰中分离的浓缩废水为原冰水混合物重量的23％，由此可计算出，固液分离后，浓缩废水总重量为原废水的38％。
经一次冷冻处理和离心脱水后，浓缩液浓度离电镀槽电镀液浓度仍有很大距离，以镀镍工艺水洗废水冷冻处理结果为例，浓缩水Ni2+浓度为3757mg/L，距离电镀液Ni2+浓度33000相差778％，需要二次浓缩。
实验显示，将Ni2+浓度为3757mg/L的模拟镀镍工艺水洗废水，进行过冷水动态制冰形成冰晶，再经过离心脱水2分钟。最终冰融水的Ni2+浓度为725mg/L,去除率为81％，占原废水(Ni2+浓度1323mg/L)重量的24％。冰融水的Ni2+浓度值远超过中国规定的Ni容许排放标准0.5mg/L。此部分冰融水送入废水处理站进行处理后再排放。
最终浓缩废水的Ni2+浓度为8857mg/L，为原废水(Ni2+浓度1323mg/L)重量的14％。电镀镍工艺电镀液工作温度为55℃～60℃，纯水蒸发量大，需要同时补充纯水。补充电镀液被镀件附着带出流失时，补充电镀液浓度约为配方浓度的80％，即Ni2+浓度为24960mg/L。二次冷冻处理最终浓缩废水的Ni2+浓度8857mg/L，为24960mg/L的35.5％，需要进行蒸发浓缩处理，浓缩率为2.8，蒸发浓缩后为原废水(Ni2+浓度1323mg/L)重量的5％。
3、能耗计算
水的固化潜热为0.093kwh/kg。采用本实施例所述方法第一次冷冻处理的废水量为100kg,第二次冷冻处理的浓缩废水量为38kg，理论需要制冷量为12.8kwh。本实验采用的是风冷制冰机，废水与25℃空气进行换热，制冷量为15kw，制冷COP为4.0，综合COP(包含循环泵能耗)为3.0，输入功率为5kw，冷冻138kg的废水，实测能耗6.8kwh。
制冷设备能效比COP＝0.6×(273+蒸发温度)/(冷凝温度-蒸发温度)，冷凝温度越低，COP越高。本实验的风冷制冰机的冷凝温度为30℃，蒸发温度-8℃。实际的冷冻法水处理设备(例如冷冻法海水淡化设备)采用废水与上一批冷冻处理产生的0℃冰进行换热，将上一批冷冻处理产生的冰融解，制冷处理设备的冷凝温度为9℃。计算得：制冷COP为8.0，综合COP为4.8，输入功率为3.1kw，冷冻138kg废水计算能耗为4.3kwh。
本实验采用的离心脱水机，每小时能耗为0.2kwh，离心脱水2分钟能耗为0.0067kwh。2次离心脱水，离心脱水总能耗为0.013kwh。
水100℃时的汽化潜热为0.63kwh/kg。第二次冷冻处理后产生14kg的高浓缩废水，经过蒸发浓缩后，变成5kg超高浓缩废水，水的蒸发量为9kg。本实验蒸发浓缩能耗为3.6kwh。
处理100kg电镀废水。本实验，冷冻+离心脱水+蒸发浓缩，总能耗为6.8+0.013+3.6＝10.4kwh。实际的冷冻法水处理设备，冷冻+离心脱水+蒸发浓缩，计算总能耗为4.3+0.013+3.6＝7.9kwh。对比只采用蒸发浓缩处理法的理论能耗60kwh，冷冻+离心脱水+蒸发浓缩处理法的有着非常高的能耗优势。
4、冰晶尺寸与冰晶杂质去除率的关系
研究冰晶尺寸与冰晶杂质去除率的关系，需要进行大量反复试验，采用模拟酸铜电镀水洗废水试验成本太高，而且对人体毒害大，此试验采用NaCl水溶液进行。
试验采用约1％浓度NaCl水溶液100L，采用过冷水动态制冰设备，控制成冰温度，-1℃到-3.5℃中的5个温度，分别形成冰浆状、冰粉状、冰絮状、小冰片、大冰片，5种不同形状的冰。另外采用保温烧杯，采用渐进式静态冷冻法,在-5.5℃环境温度，冷冻100ml约1％浓度NaCl水溶液6小时，形成整体式冰块。6种成冰的冰冻率均为70％，测量冰融水和原水中Cl-的变化。
表5不同形状的冰对Cl-离子的去除率
注：原水Cl-含量为5840mg/l。
从表5分析结果看，过冷水动态制冰法形成的冰粉状冰、冰絮状冰、小冰片冰、大冰片冰，对Cl-的去除率相差不大，在74.96％到81.81％的范围。其中冰絮状冰的Cl-去除率最高，其次是冰粉状冰。随着成冰温度的提高，制冰能耗将提高。冰晶颗粒越大，冰融解速度会越慢，处理耗时长。综合考虑冰融水对溶质去处率、制冰能耗、融冰时间，成冰温度控制在形成冰絮状冰和冰粉状冰，是最佳的成冰温度。这里要特别说明的是，发明人通过大量冰冻试验显示，形成冰粉状冰和冰絮状冰，对于不同溶质化合物，不同浓度，成冰温度是不同的，进行水处理时需要进行实测确定。冰浆状冰，成冰温度最高，形成的冰晶最小，理论上，冰晶应该最纯，但结果显示Cl-去除率最低。分析认为，原因是冰浆状冰，冰晶颗粒太小，冰水分离困难，含水率太高导致。因此，当过冷水-1.5℃～-2.5℃时去除率较高，厚度为0.5～1mm的冰晶去除率效果较高。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
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