本发明属于应急供水处理技术领域，尤其涉及一种应急供水处理中强化混凝和澄清处理的设备和方法。
背景技术：
近年来，突发水源污染事件、地震泥石流等自然灾害频发，松花江硝基苯污染事件、广东北江镉污染事件、甘肃陇星锑污染事件、四川汶川大地震、青海玉树地震和舟曲泥石流的发生威胁城市供水安全，严重影响了正常的生产和生活秩序，造成了严重的社会影响，为了确保城市供水安全，针对突发污染事件和自然灾害，需要开发饮用水应急处理技术、工艺和设备，全面提升应对突发污染事件的能力。
根据水源突发性污染和自然灾害特点，应急处理技术可分为6类：应对可吸附有机污染物的活性炭吸附技术、应对金属非金属污染物的化学沉淀技术、应对还原性污染物的化学氧化技术、应对微生物污染的强化消毒技术、应对挥发性污染物的曝气吹脱技术、应对藻类爆发的综合应急处理技术；无论采用以上那种技术，都必须对原水进行混凝沉淀处理，去除有机物的同时降低原水浊度，使后续处理工艺发挥最大工艺效能，满足装置稳定运行产水的要求，在应急状态下，水源可能受到不同程度的污染，对原水进行处理时，常用的方法是投加化学药剂进行预氧化和混凝沉淀。为了使处理后的水质达到生活饮用水卫生标准，需要携带和投加大量的化学药剂，给应急状态下的物资保障运输带来较大压力。一旦处置不当，还会带来新的环境污染。
目前在应急供水处理中，主要存在三种处理方法，分别为：(1)以袋式过滤器、精细过滤器、中转水箱、高压泵、投药装置、纳滤膜等结构单元组成的以过滤为核心的应急供水处理车，但其运行效果受到原水水质条件的影响较大，在遇到高浊度、高含砂量原水时，前处理所使用的过滤器容易发生堵塞，导致后续处理单元供水量不足，整个装置的产水效率较低；(2)以混凝沉淀系统、药剂配制投加系统、压力式砂滤池系统、臭氧活性炭系统等组成的移动式应急处理导试水厂，在遇到高浊度、高藻类、高有机污染的水源条件时，需要投加大量的化学药剂以保证原水预处理后能满足后续砂滤池、臭氧活性炭滤池进水要求；(3)以潜水泵和旋流除砂器作为后续砂滤、炭滤、反渗透处理单元的预处理装备，使用该装备处理后的原水，大颗粒悬浮固体可以被去除，但遇到溶解性有机物含量较高的原水时，会发生滤池滤速下降、炭滤池运行周期缩短的问题。
因此，应急供水处理技术领域急需一种无需外加混凝剂、混凝和澄清效果好、工艺简单、成本低、适用性强的强化混凝和澄清处理设备及方法。
技术实现要素：
本发明提供了一种应急供水处理中强化混凝和澄清处理的设备，技术方案如下：
一种应急供水处理中强化混凝和澄清处理的设备，其特征在于，包括：耦感式电絮凝处理单元、微纳米气泡发生单元和聚浮分离过滤单元；
所述耦感式电絮凝处理单元包括：耦感式电絮凝反应器和电源控制柜；
所述微纳米气泡发生单元包括：进气管路、储液罐、进水管路、溶气泵、出水管路、内筒和微纳米气泡释放头；
所述聚浮分离过滤单元包括：外筒和内筒，所述外筒的上部为聚浮分离区，所述外筒的下部为过滤分离区，外筒与内筒之间通过连接件连接，优选的，此连接件为不锈钢支架，外筒的底部设置有清水管，用于收集混凝澄清处理后的清水；
所述储液罐与所述进水管路连接，所述进气管路与所述进水管路连通于一点，所述溶气泵一端连接进水管路，另一端连接出水管路，所述出水管路的一端为微纳米释放头，所述微纳米释放头位于所述内筒内，所述内筒位于所述外筒上部的聚浮分离区内，所述耦感式电絮凝反应器还与所述电源控制柜相连，电源控制柜为耦感式电絮凝反应器提供直流电。
进一步，所述外筒下部的过滤分离区从上往下依次分布有：无烟煤、鹅卵石、短柄滤头和空腔，空腔与清水管相连，短柄滤头分布在外筒的底部，鹅卵石位于短柄滤头的上面，鹅卵石有2个作用，一是将短柄滤头埋住，通过无烟煤过滤的水要渗透过鹅卵石，才能进入短柄滤头里，二是作为承托层承托上面的无烟煤，无烟煤是高度为50cm、粒径范围在1.5mm-2.0mm的轻质无烟煤滤料，用于过滤无法通过气浮去除的悬浮固体。
进一步，所述耦感式电絮凝反应器内布置有多个铝板以及多个不锈钢板交替排列的极板，在直流电压的作用下，在两端最外侧极板内的空间范围形成电场，利用隔板和流道的设计使得金属极板产生诱导极化，在反应器内形成多个串联的微电池；初始条件下，阳极反应：Al-3e＝Al3+，阴极反应：2H2O+2e-＝2OH-+H2。Al3+可以压缩水中天然胶体双电层产生混凝作用；Al3+与OH-发生反应生成氢氧化铝胶体，可以网捕水中天然胶体发生絮凝作用，从而形成絮状物。
进一步，所述耦感式电絮凝反应器的前面和后面分别设置有第一流量计和第二流量计，分别用于检测原水和耦感式电絮凝反应器的出水量。
进一步，所述电源控制柜内安装有倒极装置，每隔10分钟进行正负倒极，倒换电流极性后，阳极表面的Al2O3薄膜被还原，阴极表面的碳酸盐被阳极表面和附近的H+溶解，达到消除或缓解电极钝化的目的。
进一步，所述进气管路上顺次设置有第一压力表、转子流量计和阀门，阀门用于控制进气管路中气体的压力和进气量，第一压力表和转子流量计分别用于检测进气管路中气体的压力和进气量，所述出水管路上顺次设置有第二压力表、第三流量计和调节阀，通过调节阀调节从溶气泵出来的液体的压力及流量，通过压力表和第三流量计分别测量从溶气泵出来的液体的压力及流量。
进一步，所述外筒的顶部设置有溢流堰和溢流槽，溢流堰的形状可以是齿形也可以是其他形状，主要作用是对从内筒中出来的液体起到缓冲的作用，所述溢流槽的下面开有排污口，污水通过排污口排出。
进一步，所述外筒连接有在反冲洗泵和在线浊度仪表，反冲洗泵用来为冲洗下部过滤分离区提供冲洗水，在线浊度仪表用于检测出水浊度。
进一步，耦感式电絮凝反应器还与提升泵连接，用提升泵将待处理的原水输送到耦感式电絮凝反应器内。
一种应急供水处理中强化混凝和澄清处理的方法，包括以下步骤：
待处理原水输送到耦感式电絮凝反应器内，当耦感式电絮凝反应器的出水量达到4m3/h后，打开电源控制柜的开关，设置工作电流，原水在耦感式电絮凝反应器内进行絮凝反应；
打开溶气泵，当微纳米气泡释放头有水流出时，开启进气管路上的阀门，将微纳米气泡通过微纳米气泡释放头投加到内筒里；
微纳米气泡与耦感式电絮凝反应器产生的絮状物、水中的藻类通过表面张力等形成结合体，在浮力作用下上浮至聚浮分离区液面的表面，并通过外筒顶部的溢流堰进入到溢流槽中，通过溢流槽底部的排污口排出，无法通过气浮去除的悬浮固体通过外筒下部的过滤分离区进行过滤，经过混凝和澄清后的水通过清水管收集。
进一步，通过安装在聚浮分离过滤单元出口处的在线浊度仪表，检测出水浊度，当出水浊度上升至2-4NTU，打开反冲洗泵，对下部过滤分离区进行冲洗。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明通过调节耦感式电絮凝反应器的电流强度，现场电解制备具有高效混凝效果的Al3+，与向水中投加混凝剂、助凝剂的传统混凝工艺相比具有无需携带药剂，调节方便，减少污染的优点。
2、本发明向水体中投加微纳米气泡，微纳米气泡具有比表面积大、均匀性好、停留时间长的特点，上浮效果较好，可以通过气浮的方法去除水中悬浮颗粒物和电絮凝产生的矾花。
3、向水体中投加微纳米气泡，微气泡本身携带电荷可以与水体中天然胶体发生压缩双电层作用，使得胶体脱稳，增加胶粒之间的碰撞和凝聚，有利于胶体去除。
4、通过微纳米气泡发生单元向水体中投加微纳米气泡，与传统的气浮相比，能够使气泡充分与悬浮固体结合，提高了聚浮分离的澄清效率。
5、本发明设置有内筒，絮状物与微纳米气泡可以在内筒里进行充分的反应。
6、本发明使用的耐气蚀的溶气泵，可以在抵御气蚀作用的同时将进气管路吸入的空气剪切形成直径较小的气泡，有利于气泡内的空气进一步溶解于水中。
7、电源控制柜内安装有倒极装置，以避免电极的钝化。
8、下部过滤分离区包括：无烟煤、鹅卵石、短柄滤头和空腔，空腔与清水管相连，短柄滤头分布在下部过滤分离区的底部，鹅卵石位于短柄滤头的上面，鹅卵石有2个作用，一是将短柄滤头埋住，通过无烟煤过滤的水要渗透过鹅卵石，才能进入短柄滤头里，二是作为承托层承托上面的无烟煤，无烟煤是高度为50cm、粒径范围在1.5mm-2.0mm的轻质无烟煤滤料，对于无法通过气浮去除的悬浮固体，可以通过无烟煤滤料截留而去除，同时可以节约反冲洗水量。
9、本发明针对应急状态下的原水预处理，采用电絮凝聚浮分离工艺，使用微纳米气泡强化混凝和气浮效果，对应急水源条件具有较强的适应能力。
10、本发明设有反冲洗程序，可以对下部过滤分离区进行冲洗，使过滤效果更好。
附图说明
图1是本说明一种应急供水处理中强化混凝和澄清处理的设备的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种应急供水处理中强化混凝和澄清处理的设备和方法做进一步详细的描述。
其中，图1中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
耦感式电絮凝反应器11，电源控制柜12，第一流量计13，第二流量14，调节阀15，提升泵16，储液罐211，进气管路212，溶气泵213，出水管路214，内筒215，微纳米气泡释放头216，进水管路224，第一压力表227、转子流量计228，阀门229，第二压力表217，第三流量计218，调节阀219，外筒31，内筒32，清水管33，溢流堰34，溢流槽35，无烟煤36，鹅卵石37，短柄滤头38，线浊度仪表39，反冲洗泵311，空腔312。
如图1所示，本发明一种应急供水处理中强化混凝和澄清处理的设备，包括：耦感式电絮凝处理单元、微纳米气泡发生单元和聚浮分离过滤单元，其中，耦感式电絮凝处理单元包括：耦感式电絮凝反应器11和电源控制柜12，所述微纳米气泡发生单元包括：进气管路212、储液罐211、进水管路224、溶气泵213、出水管路214、内筒215和微纳米气泡释放头216；聚浮分离过滤单元包括：外筒31和内筒32，外筒31与内筒32之间以连接件连接，优选地，此连接件为不锈钢支架，外筒31的底部设置有清水管33，用于收集混凝澄清处理后的清水，外筒31的上部为聚浮分离区，外筒31的下部为过滤分离区；储液罐211与所述进水管路224连接，进气管路212与进水管路224连通于一点，溶气泵213一端连接进水管路224，另一端连接出水管路214，出水管路214的一端为微纳米释放头216，微纳米释放头216位于内筒215内，内筒215位于上部聚浮分离区31内，耦感式电絮凝反应器11还与电源控制柜12相连，电源控制柜12为耦感式电絮凝反应器11提供直流电。
进一步，外筒31下部的过滤分离区从上往下依次分布有：无烟煤36、鹅卵石37和短柄滤头38，其中鹅卵石37将短柄滤头38埋住，鹅卵石37有2个作用，一是将短柄滤头38埋住，通过无烟煤36过滤的水要渗透过鹅卵石37，才能进入短柄滤头38里，二是作为承托层承托上面的无烟煤36，无烟煤36是高度为50cm、粒径范围在1.5mm-2.0mm的轻质无烟煤滤料，用于过滤无法通过气浮去除的悬浮固体。
进一步，耦感式电絮凝反应器11内布置有多个铝板以及多个不锈钢板交替排列的极板，在直流电压的作用下，在两端最外侧极板内的空间范围形成电场，利用隔板和流道的设计使得金属极板产生诱导极化，在反应器内形成多个串联的微电池；初始条件下，阳极反应：Al-3e＝Al3+，阴极反应：2H2O+2e-＝2OH-+H2。Al3+可以压缩水中天然胶体双电层产生混凝作用；Al3+与OH-发生反应生成氢氧化铝胶体，可以网捕水中天然胶体发生絮凝作用，从而形成絮妆物。
进一步，耦感式电絮凝反应器11的前面和后面分别设置有第一流量计13和第二流量计14，分别用于检测原水和耦感式电絮凝反应器的出水量。
进一步，电源控制柜12内安装有倒极装置，每隔10分钟进行正负倒极，倒换电流极性后，阳极表面的Al2O3薄膜被还原，阴极表面的碳酸盐被阳极表面和附近的H+溶解，达到消除或缓解电极钝化的目的。
进一步，进气管路212上顺次设置有第一压力表227、转子流量计228和阀门229，阀门229用于控制进气管路212中气体的压力和进气量，第一压力表227和转子流量计228分别用于检测进气管路212中气体的压力和进气量，出水管路214上顺次设置有第二压力表217、第三流量计218和调节阀219，通过调节阀219调节从溶气泵213出来的液体的压力及流量，通过第二压力表217和第三流量计218分别测量从溶气泵213出来的液体的压力及流量。
进一步，外筒31的顶部设置有溢流堰34和溢流槽35，溢流堰34的形状可以是齿形也可以是其他形状，主要作用是对从内筒32中出来的液体起到缓冲的作用，溢流槽35的下面开有排污口，用于将污水排出。
进一步，外筒31连接有在反冲洗泵34和在线浊度仪表33，反冲洗泵34用来为冲洗外筒下部的过滤分离区提供冲洗水，在线浊度仪表33用于检测出水浊度。
进一步，耦感式电絮凝反应器11与提升泵16连接，通过提升泵将待处理的原水输送到耦感式电絮凝反应器11内。
如图1所示，本发明的一种应急供水处理中强化混凝和澄清处理的方法包括以下步骤：
a.电絮凝步骤：通过提升泵将待处理原水输送至耦感式电絮凝反应器内，通过第一流量计和第二流量计检测原水、耦感式电絮凝反应器的出水流量，当第二流量计显示额数值达到4m3/h时，打开电源控制柜的开关，向耦感式电絮凝反应器内通电，根据原水水质、进水浊度设置耦感式电絮凝反应器工作电流，具体的，当原水水质较差、进水浊度高时，电絮凝反应需要的工作电流也应增大，在直流电压的作用下，在两端最外侧极板内的空间范围形成电场，利用隔板和流道的设计使得金属极板产生诱导极化，在反应器内形成多个串联的微电池；初始条件下，阳极反应：Al-3e＝Al3+，阴极反应：2H2O+2e-＝2OH-+H2。Al3+可以压缩水中天然胶体双电层产生混凝作用；Al3+与OH-发生反应生成氢氧化铝胶体，可以网捕水中天然胶体发生絮凝作用，从而形成絮状物。
b.气浮分离过滤步骤：打开储液罐开始供水，打开溶气泵，当微纳米气泡释放头处有水流出时，开启进气管路上的阀门，设置进气流速40～50L/h，调节溶气泵后的调节阀使得压力表读数维持在0.4～0.6MPa，微纳米气泡通过微纳米气泡释放头投加至内筒里，微纳米气泡与耦感电絮凝反应器产生的絮状物、藻类等通过表面力形成结合体，首先，液体在内筒积满后会溢出到外筒里，结合体在浮力作用下继续上浮至外筒上部聚浮分离区的液面表面，并通过外筒顶部的溢流堰进入到溢流槽中，溢流槽中的污水通过下面的排污口排出，无法通过气浮去除的悬浮固体被外筒下部的过滤分离区内的无烟煤滤料过滤截留，过滤后的水渗透过鹅卵石，再通过短柄滤头进入下面的空腔，空腔中的清水通过清水管流出。
c.反冲洗步骤：通过安装在聚浮分离单元出口处的在线浊度仪表，检测末端出水浊度，当装置出水浊度上升至2-4NTU时，启动聚浮分离单元的反冲洗程序：打开反冲洗泵，对外筒下部的过滤分离区进行冲洗，冲洗之后的污水同样通过外筒顶部的溢流堰和溢流槽排出，聚浮分离工艺单元反冲洗完成后，重复电絮凝步骤和气浮分离过滤步骤。
有上述说明可见，本发明通过调节耦感式电絮凝反应器的电流强度，现场电解制备具有高效混凝效果的Al3+，与向水中投加混凝剂、助凝剂的传统混凝工艺相比具有无需携带药剂，调节方便，减少污染的优点。本发明向水体中投加微纳米气泡，微纳米气泡具有比表面积大、均匀性好、停留时间长的特点，上浮效果较好，可以通过气浮的方法去除水中悬浮颗粒物和电絮凝产生的矾花。向水体中投加微纳米气泡，微气泡本身携带电荷可以与水体中天然胶体发生压缩双电层作用，使得胶体脱稳，增加胶粒之间的碰撞和凝聚，有利于胶体去除。通过微纳米气泡发生单元向水体中投加微纳米气泡，与传统的气浮相比，能够使气泡充分与悬浮固体结合，提高了聚浮分离的澄清效率。本发明设置有内筒，絮状物与微纳米气泡可以在内筒里进行充分的反应。本发明使用的耐气蚀的溶气泵，可以在抵御气蚀作用的同时将进气管路吸入的空气剪切形成直径较小的气泡，有利于气泡内的空气进一步溶解于水中。电源控制柜内安装有倒极装置，以避免电极的钝化。下部过滤分离区包括：无烟煤、鹅卵石、短柄滤头和空腔，空腔与清水管相连，短柄滤头分布在下部过滤分离区的底部，鹅卵石位于短柄滤头的上面，鹅卵石有2个作用，一是将短柄滤头埋住，通过无烟煤过滤的水要渗透过鹅卵石，才能进入短柄滤头里，二是作为承托层承托上面的无烟煤，无烟煤是高度为50cm、粒径范围在1.5mm-2.0mm的轻质无烟煤滤料，对于无法通过气浮去除的悬浮固体，可以通过无烟煤滤料截留而去除，同时可以节约反冲洗水量。本发明针对应急状态下的原水预处理，采用电絮凝聚浮分离工艺，使用微纳米气泡强化混凝和气浮效果，对应急水源条件具有较强的适应能力。本发明设有反冲洗程序，可以对下部过滤分离区进行冲洗，使过滤效果更好。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。