冷凍濃縮是將溶液中的一部分水以冰的形式析出，并將其從液相中分離出去而使溶液濃縮的方法。冷凍濃縮流程主要包括冷卻過(guò)程、冰晶生成、冰晶成長(cháng)以及冰與濃縮液分離過(guò)程，根據冷凍濃縮的結晶方式可分為懸浮結晶冷凍濃縮法和漸進(jìn)冷凍濃縮法，根據冷凍源的不同可分為自然冷凍法和人工冷凍法。

人類(lèi)對冷凍技術(shù)的探索歷來(lái)已久，直到20世紀70年代，荷蘭學(xué)者THIJSSEN教授與Grenco公司利用奧斯特瓦爾德成熟效應成功研制出可商業(yè)化應用的冷凍濃縮裝備，自此冷凍濃縮技術(shù)在食品、制藥和化工等工業(yè)領(lǐng)域得以廣泛推廣，但是在水處理行業(yè)的研究與應用卻鮮有報道。近些年，隨著(zhù)國內外環(huán)保政策的日益嚴苛以及對水處理標準的不斷提升，冷凍濃縮這一節能環(huán)保、環(huán)境友好的技術(shù)在水處理行業(yè)中逐步被重視。目前國內外已對冷凍濃縮技術(shù)在水處理行業(yè)進(jìn)行了大量的研究和探索，并取得了一定的進(jìn)展。

1、冷凍濃縮技術(shù)在水處理行業(yè)的研究現狀

1.1 工業(yè)廢水

工業(yè)廢水是指工業(yè)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水、冷卻水和生產(chǎn)污水等，按照工業(yè)產(chǎn)品和加工對象可分為造紙廢水、印染廢水、電鍍廢水、煉焦煤氣廢水等。工業(yè)廢水具有產(chǎn)量大、組分多、濃度高等特點(diǎn)，目前常用的方法主要有膜法分離、化學(xué)氧化、生物降解等，但通常存在運行成本高、二次污染嚴重的問(wèn)題。吳二飛等采用冷凍濃縮技術(shù)處理煤氣化廢水，研究結果表明冷凍濃縮可以將氣化廢水中的有機物和無(wú)機物基本脫除，產(chǎn)水水質(zhì)滿(mǎn)足HG/T3923―2007循環(huán)冷卻水用再生水水質(zhì)要求，整體產(chǎn)水率超過(guò)90%。徐見(jiàn)等采用冷凍濃縮技術(shù)處理焦化脫硫廢液，在-13~-16℃溫度條件下冷凍4h,濃縮液體積減少至1/3,含鹽量可達500g?L-1，同時(shí)研究發(fā)現通過(guò)冷凍濃縮產(chǎn)生的濃縮液再蒸發(fā)處理可節約60%左右的能耗。茍思宇采用漸進(jìn)式靜態(tài)冷凍法處理電鍍工藝廢水中重金屬離子，研究表明冷凍溫度越低時(shí)冷凍速度越快，但重金屬離子的去除效率低，最佳冷凍溫度為-5℃，既可保證了冷凍速度又能保證重金屬離子的去除效率。此外，某鋼鐵廠(chǎng)成功采用冷凍濃縮結晶法處理硫酸酸洗廢液，運行實(shí)踐表明該方法具有技術(shù)可靠、適應性強、操作環(huán)境友好等特點(diǎn)。

冷凍濃縮技術(shù)不僅在處理化學(xué)工業(yè)廢水方面有了廣泛的研究，而且在處理生物發(fā)酵和生物制藥等輕工行業(yè)廢水方面也逐步被重視，如金亮等采用冷凍濃縮技術(shù)對味精生產(chǎn)過(guò)程中的谷氨酸等電母液進(jìn)行了試驗研究，探究了冰晶純化過(guò)程中冷凍溫度（過(guò)冷度）、成冰率、攪拌速度、冷凍級數等工藝條件對冰晶純度的影響。結果表明，在冷凍溫度為-10℃、成冰率為70%、攪拌速度為160r?min-1時(shí)進(jìn)行二級冷凍，COD去除率可達到94.32%；胡利敏等對頭孢他啶母液進(jìn)行冷凍研究，在冷凍時(shí)間3h以上、冷凍溫度在-5℃以下、初始母液質(zhì)量濃度在15~20mg?mL-1、結晶母液pH值范圍在3.5~3.8時(shí)，既提高了頭孢他啶質(zhì)量收率又可降低母液排放的COD與BOD等污染物指標。

1.2 海水淡化

隨著(zhù)水污染的日益嚴重，導致淡水資源越發(fā)匱乏。海洋占地球面積的70%，向海洋索取淡水已成為未來(lái)解決淡水缺乏問(wèn)題的新發(fā)展方向，因此海水淡化是淡水資源再生的重要途徑，海水淡化即利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水，是實(shí)現水資源開(kāi)源增量的方式。我國海岸線(xiàn)長(cháng)，海水資源十分豐富，可以通過(guò)海水淡化彌補我國淡水資源不足的難題。目前海水淡化技術(shù)主要有3種類(lèi)型：反滲透膜法、蒸餾法以及冷凍法等。反滲透膜法、蒸餾法等方式已實(shí)現工業(yè)化運行，但因膜元件使用壽命低和蒸餾裝置易腐蝕結垢等原因，導致膜法和蒸餾法設備投資和運行成本較高，限制了進(jìn)一步的推廣和應用。

冷凍法淡化是利用相變現象，在冰晶形成過(guò)程中鹽分被分離，通過(guò)收集和融化冰晶來(lái)生產(chǎn)淡水，早在17世紀，人類(lèi)已開(kāi)始采用冷凍法由海水制取淡水，我國海水淡化起步于20世紀60年代。孫朋元等通過(guò)兩級冷凍對海水進(jìn)行預淡化處理，結果表明冷凍預淡化后海水鹽度可從35降低至11，預淡化過(guò)后可節約后續反滲透約33%的運行成本。李恒松以LNG再氣化過(guò)程中產(chǎn)生的冷能為冷源對海水進(jìn)行冷凍淡化研究，冰水混合物在通過(guò)重力、粉碎離心等方式分離后，對鈣、鎂和氯離子的去除率分別達到77.22%、83.00%和81.92%，脫鹽效果明顯。韓強針對目前海水淡化的需求，結合高效的熱泵節能技術(shù)，提出一種應用熱泵節能技術(shù)的高效界面漸進(jìn)冷凍系統，將封閉式循環(huán)熱泵系統的蒸發(fā)器、冷凝器與界面漸進(jìn)冷凍系統有機結合起來(lái)，實(shí)現蒸發(fā)器與冷凝器的功能互換，既去除固體壁面冰層，又回收利用了冰層融化過(guò)程中放出的冷量，大幅度降低了海水冷凍的能耗，降低了系統運行成本。

1.3 垃圾滲濾液

近些年，隨著(zhù)我國工農經(jīng)濟的發(fā)展與人民生活水平的提高，生活垃圾產(chǎn)生量日益增長(cháng)，垃圾填埋或焚燒處理過(guò)程中產(chǎn)生的滲濾液特別是膜濃縮液，因成分復雜、可生化性差、水質(zhì)水量波動(dòng)大等原因，導致其處理工藝路線(xiàn)較長(cháng)、工藝系統復雜、處置成本一直高居不下。

近些年操作簡(jiǎn)單、能耗較低的冷凍濃縮技術(shù)，已開(kāi)始被研究應用于滲濾液及其膜濃縮液的處置。

王悅等研究了冷凍溫度和稀釋倍數對滲濾液的處理效果，結果表明-13℃為滲濾液的最佳冷凍溫度，此溫度下滲濾液電導率和COD的去除效果最為明顯。魏美娟通過(guò)對滲濾液原水-13℃完全冷凍融化過(guò)程中規律的研究，發(fā)現融化過(guò)程中電導率和COD均程指數形式下降，且有15%的融出水的COD達到排放標準要求。魏顏丹等發(fā)明了一種包括垃圾填埋層、地源熱泵、滲濾液冷凍分離系統、冰水換熱系統、滲濾液預冷系統和空調系統在內的一套適用于垃圾填埋場(chǎng)滲濾液的冷凍分離系統，能夠使滲濾液液得到減量化、無(wú)害化處理，并具有成本低、無(wú)害化處理的特點(diǎn)。MOHARRAMZADEH等針對反滲透濃鹽水采用漸進(jìn)式冷凍濃縮工藝分別研究了冷卻液溫度、攪拌速率、結晶器前進(jìn)速度、料液濃度、料液溫度、冰晶種、結晶器材質(zhì)、混合流型共8個(gè)因素對冷凍濃縮效果的影響，研究發(fā)現進(jìn)料液溫度與冷卻液溫度之間的溫差對降低過(guò)冷度有重要意義，過(guò)冷度對處理有不利影響，在最佳條件下RO濃鹽水（鹽度2600mg?L-1）處理后，復冰率和脫鹽率分別為70%和97.7%。

2、冷凍濃縮技術(shù)在水處理行業(yè)的優(yōu)勢分析

除了以上在工業(yè)廢水、海水淡化和垃圾滲濾液處理3個(gè)水處理領(lǐng)域有了大量研究和應用以外，近些年，冷凍濃縮技術(shù)被越來(lái)越廣泛地應用于各類(lèi)廢水的處理上，如處理高鹽廢水、高濃度有機廢水、難降解有機廢水、重金屬廢水以及空間站尿液回收等。這主要是因為相較于其他技術(shù)，冷凍濃水具有多方面的優(yōu)勢。

1)運行成本低。理論上水的冷凍潛熱為334kJ?kg-1，蒸發(fā)潛熱為2400kJ?kg-1，即前者的能耗為后者的1/7。因此相比傳統的蒸發(fā)濃縮，冷凍濃縮具有巨大的節能潛力。文玲等通過(guò)對比某印染廠(chǎng)污水在同樣濃縮5倍的條件下，相對真空蒸發(fā)，冷凍濃縮可節能30.35%，若結合預冷和冰蓄冷后，冷凍濃縮可比真空蒸發(fā)節能62.5%以上。

2)設備成本低。冷凍濃縮運行過(guò)程為低溫、常壓狀態(tài)，不易出現腐蝕和結垢情況，對設備材質(zhì)要求低，主體設備采用常規不銹鋼304或玻璃鋼材質(zhì)即可滿(mǎn)足運行要求，因此可以極大節約設備投資成本。

3）適用范圍廣。冷凍濃縮是利用水分子在結晶過(guò)程中會(huì )排斥雜質(zhì)的原理，獲得較為純凈的冰和濃縮的溶液。因此，冷凍濃縮技術(shù)受廢水中COD、氨氮以及離子等水質(zhì)的影響較小，能夠適應各種廢水，對廢水的處置幾乎沒(méi)有選擇性。

4）環(huán)境更友好。冷凍濃縮是簡(jiǎn)單的物理過(guò)程，運行過(guò)程無(wú)需進(jìn)行預處理及添加任何化學(xué)試劑，無(wú)二次污染產(chǎn)生。

3、結論與展望

國內外針對冷濃濃縮在水處理行業(yè)中的應用已有大量的研究，相較于常規的水處理技術(shù)，冷凍濃縮具有簡(jiǎn)單高效、節能降耗、環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢。在水處理行業(yè)，如工業(yè)廢水、海水淡化、垃圾滲濾液，特別是在高鹽量、高濃度、難降解廢水深度減量化方面，冷濃濃縮技術(shù)具有廣闊的應用價(jià)值和市場(chǎng)前景，但是目前大多數研究基本處于試驗探索階段，今后該領(lǐng)域尚需要更多的探索和研究。（來(lái)源：光大環(huán)保技術(shù)裝備（常州）有限公司）