專利名稱：紫外線污水消毒系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種紫外線消毒系統(tǒng)及方法，更具體地說，涉及含廢物液體的紫外線消毒系統(tǒng)及方法。
(2)現(xiàn)有技術(shù)的描述作用機(jī)理利用紫外線(UV)進(jìn)行水消毒處理的技術(shù)已眾所周知。波長(zhǎng)為253.7納米、具有殺菌能力的紫外線，會(huì)改變細(xì)胞中的遺傳(DNA)物質(zhì)，使細(xì)菌、病毒、霉菌、藻類等微生物失去繁殖能力。從而殺滅微生物，消除了微生物產(chǎn)生疾病的危險(xiǎn)。水流經(jīng)UV消毒系統(tǒng)中的紫外線燈時(shí)，微生物便會(huì)受到致命劑量的紫外線能量。紫外線劑量是以紫外線強(qiáng)度乘以紫外線燈組照射時(shí)間的乘積度量的。微生物學(xué)家已經(jīng)確定，破壞病原體及污水中指示生物的紫外線能量有效劑量約為34,000微瓦·秒/厘米2。典型現(xiàn)有技術(shù)的消毒系統(tǒng)及設(shè)備發(fā)射的紫外線約在254納米，可穿透微生物外層細(xì)胞膜、通過細(xì)胞體，達(dá)到DNA并改變微生物的遺傳物質(zhì)，通過使其喪失繁殖能力的方法，殺滅微生物，而無(wú)需化學(xué)藥品。
紫外線劃分為三個(gè)波長(zhǎng)范圍UV-C，從約200納米(nm)至約280納米；UV-B，從約280納米至約315納米；以及UV-A，從約315納米至約400納米。一般而言，紫外線，具體地說是UV-C紫外線“有殺菌能力”，即能夠使細(xì)菌的DNA喪失活力，因此破壞了病毒和病原體的繁殖能力，并引起疾病從而有效地達(dá)到殺滅微生物的目的。明確地說，UV“C”紫外線通過在DNA中某些相鄰堿基之間形成共價(jià)鍵，產(chǎn)生對(duì)微生物核酸的破壞作用。這些共價(jià)鍵的形成，阻止了DNA被“解開”進(jìn)行復(fù)制，從而生物體便無(wú)法產(chǎn)生生命過程所必需的分子，也無(wú)法進(jìn)行繁殖。事實(shí)上，生物體如無(wú)法產(chǎn)生這些必需的分子或無(wú)法復(fù)制，即會(huì)死亡。波長(zhǎng)大約在250至260納米左右的紫外線，其殺菌能效最強(qiáng)。雖然對(duì)紫外線的敏感性不同，但紫外線照射強(qiáng)度達(dá)到約20毫瓦·秒/cm2時(shí)，足以使99％的病原體失去活力。
現(xiàn)有技術(shù)實(shí)踐證明，紫外線具有殺死城市污水中細(xì)菌和病毒的作用。此外，使用化學(xué)消毒劑所帶來(lái)的環(huán)境問題加上紫外線技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了紫外線系統(tǒng)的開發(fā)，這些紫外線系統(tǒng)用來(lái)處理工業(yè)化世界所消耗的金屬加工液體；在發(fā)展中國(guó)家用于飲用水消毒；清潔水產(chǎn)養(yǎng)殖用水、壓艙水及各地的醫(yī)院空氣。通常，氯氣或液氯用高速感應(yīng)器直接注入污水中，在排水之前殺死細(xì)菌。根據(jù)工業(yè)專家的報(bào)告，采用紫外線代替標(biāo)準(zhǔn)消毒技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是紫外線系統(tǒng)消除了氯的運(yùn)輸和使用。
遺憾的是，化學(xué)消毒中的有機(jī)化學(xué)副產(chǎn)品，特別是氯化作用的副產(chǎn)品如二氧雜環(huán)己烷，對(duì)人體屬致癌物質(zhì)及(或)有毒物質(zhì)。因此，在需要或要求液體具有一定的化學(xué)純度時(shí)，化學(xué)消毒并不是可行的方案。另外，盡管有這種毒理方面的證據(jù)，EPA(美國(guó)環(huán)保署)最近還是被迫放松了對(duì)某些已知致癌氯化副產(chǎn)品如氯仿的限制。另外，其它化學(xué)藥品，如硝酸離子，已表明對(duì)兒童發(fā)展有不良影響。
鑒于有機(jī)及無(wú)機(jī)化學(xué)藥品毒性方面的資料不斷豐富以及水純凈度規(guī)定的放松，減少這些化合物向環(huán)境的排放，日益成為人們關(guān)注的問題。但去除這些化合物需要采用代價(jià)極其昂貴的方法，如用活性炭之類進(jìn)行過濾。因而需要一種能夠方便地去除或消除污水中有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物的系統(tǒng)。
只要正確使用，紫外線可非常有效地殺滅水及污水中的細(xì)菌、病毒及其它微生物，而無(wú)需使用化學(xué)藥品。摒棄化學(xué)處理方法還可消除其它一些問題。不再需要擔(dān)心操作人員安全或?qū)Υ鎯?chǔ)及處理危險(xiǎn)溶液及氣體的建筑物的要求。大幅度降低了昂貴的責(zé)任保險(xiǎn)額外費(fèi)用。不再需要檢測(cè)出水的殘留氯，也消除了與使用氯相關(guān)的毒性問題。導(dǎo)致市政當(dāng)局重新審視氯化處理方法的另一個(gè)因素，是由1993年通過的國(guó)家統(tǒng)一消防法所引起的費(fèi)用增加，該法規(guī)明確要求，對(duì)于存儲(chǔ)的氯及化學(xué)洗滌劑要采取雙層安全殼措施以防泄露，其代價(jià)較為昂貴。
紫外線用于水消毒的現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用，包括自備飲用水源、城市飲用水處理廠、工業(yè)產(chǎn)品及方法用水及商業(yè)應(yīng)用，以及工業(yè)、商業(yè)及城市污水處理應(yīng)用中的一級(jí)、二級(jí)及三級(jí)污水處理方法。
雖然紫外線凈化適用于許多民用、商業(yè)、工業(yè)及城市水與污水處理應(yīng)用場(chǎng)合，但對(duì)水質(zhì)及出水純凈度的要求會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能。由于極低或極高的溫度會(huì)影響紫外線系統(tǒng)的性能，現(xiàn)有紫外線消毒系統(tǒng)在水溫處于華氏35度左右至110度左右之間時(shí)效果最佳。
現(xiàn)有技術(shù)中使用的紫外線光源通常為低壓汞燈，只要系統(tǒng)配備適量的燈并采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，即可有效地清潔危險(xiǎn)的水并殺滅致病病毒與細(xì)菌，包括腸內(nèi)原生動(dòng)物，如隱胞子蟲、賈第鞭毛蟲及大腸桿菌。所有已知現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)，均按目前在戴維斯加州大學(xué)的GeorgeTchobanoglous博士推導(dǎo)和發(fā)表的公式設(shè)置和所述，計(jì)算、設(shè)計(jì)和配置燈的適當(dāng)數(shù)量與燈的布置。
戴維斯加州大學(xué)土木工程及環(huán)境工程學(xué)榮譽(yù)退休教授，學(xué)術(shù)、工業(yè)及環(huán)境顧問委員會(huì)前主席，起草1994加州紫外線消毒指標(biāo)的GeorgeTchobanoglous博士，或許是現(xiàn)有技術(shù)中所用的紫外線水消毒系統(tǒng)及方法方面的主要權(quán)威。他測(cè)算紫外線燈最小需要數(shù)量及其配置的公式，建立在一個(gè)重要命題的基礎(chǔ)上，即紫外線燈布置在待處理的水中，更具體地說，要求一只燈的中心線至中心線距離不超過三(3)英寸，以確保對(duì)于任何進(jìn)水系統(tǒng)或流量，均可達(dá)到有效消毒紫外線劑量；這些公式稱為“點(diǎn)源求和法”。
現(xiàn)有技術(shù)中的傳統(tǒng)低壓紫外線系統(tǒng)，用于低流速水消毒或空氣及表面應(yīng)用的較小工程。低壓紫外線燈同時(shí)使用多達(dá)12只燈，處理液體流量在每分鐘10至180加侖。流量增大或需要較高的紫外線劑量時(shí)，采用大量低壓燈的思路顯得復(fù)雜而笨重。中壓紫外線燈在滿足較高流量和較高劑量挑戰(zhàn)方面，是保持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本效益的解決方案。一只中壓紫外線燈處理的液體可達(dá)每分鐘2300加侖。值得注意的是，現(xiàn)有技術(shù)所采用的紫外線消毒系統(tǒng)及方法，始終包含和闡述將低壓紫外線燈及設(shè)備用于水、空氣及表面消毒應(yīng)用。這些現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)需要有處理室，通常由不銹鋼制成?，F(xiàn)有技術(shù)的空氣系統(tǒng)也使用低壓紫外線燈，處理儲(chǔ)罐中的空氣。
現(xiàn)有技術(shù)采用中壓紫外線燈時(shí)，通常使用單燈設(shè)備，每分鐘可以處理10至2300加侖液體。這些情況下，現(xiàn)有技術(shù)需要特別的加強(qiáng)型中壓紫外線燈，其應(yīng)用被限制在低壓燈所達(dá)不到的高溫和低溫液體處理場(chǎng)合。即使采用這種結(jié)構(gòu)，有效的消毒室設(shè)計(jì)中采用的浸入式紫外線燈仍然需要系統(tǒng)有停機(jī)時(shí)間來(lái)更換紫外線燈。特別的加強(qiáng)型紫外線燈設(shè)計(jì)，要求在降低TOC(有機(jī)碳含量)、去除臭氧及消除氯氣方面達(dá)到最高性能。
如果存在阻礙紫外線穿透水的因素，則現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)便有問題。混濁，即沉淀物被攪起而使水變混濁的這種狀態(tài)，會(huì)影響紫外線能量的傳播，降低紫外線消毒系統(tǒng)的消毒功效。如果水中鐵或錳含量高、水體混濁以及/或含有有機(jī)雜質(zhì)，一般需要在水進(jìn)入紫外線消毒階段之前進(jìn)行預(yù)處理，因?yàn)榻]于待處理水中的石英殼紫外線燈上的沉淀物，會(huì)影響紫外線的傳播，從而降低紫外線劑量并致使系統(tǒng)失效?，F(xiàn)有技術(shù)通常在采用紫外線凈化的同時(shí)，采用炭過濾、反滲透及某些化學(xué)藥品來(lái)減少紫外線燈周圍的石英殼之間的污垢。
通過紫外線照射對(duì)水進(jìn)行消毒的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備或系統(tǒng)，通常采用帶石英燈殼的標(biāo)準(zhǔn)紫外線光源或燈，并懸置于待處理的水中。采用紫外線進(jìn)行水的消毒，特別是用于廢水處理的優(yōu)點(diǎn)如下只要根據(jù)已知的進(jìn)水及流速，使用適當(dāng)數(shù)量的燈并恰當(dāng)布置，無(wú)需使用化學(xué)藥品(如氯)來(lái)達(dá)到有效消毒的目的；由于消毒方法中不需要化學(xué)藥品，因而不需要存儲(chǔ)和/或處理有毒化學(xué)藥品；不需要加熱或冷卻來(lái)確保消毒效果；因?yàn)榭稍谒鹘?jīng)系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行處理，所以不需要蓄水箱或水池；方法中不浪費(fèi)水；待處理水的pH值、化學(xué)成份或電阻系數(shù)不變；經(jīng)紫外線照射消毒后，所有水生細(xì)菌和病毒的至少約99.99％均被殺死；因而提高了使用該系統(tǒng)的安全性及其效能。
所前所述，現(xiàn)有技術(shù)的紫外線水處理系統(tǒng)殺滅和除去未處理、受污染水源中的微生物及其它物質(zhì)，并產(chǎn)生清潔、安全的飲用水。WaterHealth International的系統(tǒng)所采用的核心技術(shù)中含有授予專利的非浸沒式紫外線燈。此技術(shù)由WHI申請(qǐng)了權(quán)利要求，是經(jīng)過檢測(cè)的最新發(fā)明，由加州大學(xué)管理的美國(guó)能源部首要的國(guó)際知名實(shí)驗(yàn)室-Lawrence Berkeley National Laboratory(勞倫斯·伯克萊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)開發(fā)。此現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)產(chǎn)生的紫外線劑量可達(dá)120mJ/cm2，是NSF國(guó)際要求38mJ/cm2的三倍以上，超過了世界衛(wèi)生組織和美國(guó)環(huán)保署水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可有效處理飲用水中的細(xì)菌、病毒和隱胞子蟲。此外，在兩個(gè)不同實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的最新研究表明，10mJ/cm2或更小的紫外線劑量即可使賈第鞭毛蟲按4對(duì)數(shù)降低。根據(jù)此項(xiàng)研究，達(dá)到120mJ/cm2的紫外線劑量大大超過了殺滅賈第鞭毛蟲所需的量。WaterHealthInternational的系統(tǒng)所含其它部件可有效地處理如混濁、淤泥、味道、氣味和各種化學(xué)藥品等具體問題。值得注意的是，WHI的系統(tǒng)并非專門用于處理原污水或廢水。
紫外線水消毒系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，包括污水處理和表面處理。通過實(shí)例和說明可以理解，采用紫外線進(jìn)行城市污水消毒，避免了與化學(xué)藥品的貯存、運(yùn)輸和使用有關(guān)的問題以及與之有關(guān)的法規(guī)問題。紫外線消毒安全、成本效率好，適用于三級(jí)處理的出水，也同樣適用于二級(jí)、一級(jí)處理的出水，以及下水道溢流(CSO)與雨水的混合污水。紫外線有助于提高產(chǎn)品的保存期限，允許加工廠商減小清洗水中的化學(xué)添加劑，而絲毫不會(huì)降低消毒的標(biāo)準(zhǔn)。紫外線可用于自備供水回路的非化學(xué)法微生物控制，不會(huì)改變食品的色、香、味。對(duì)環(huán)境無(wú)害的紫外線消毒方法，是極少數(shù)不用擔(dān)心法規(guī)限制、消費(fèi)者/環(huán)保團(tuán)體關(guān)注，也不用擔(dān)心運(yùn)行成本居高不下的水處理方法。
通過對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)紫外線消毒系統(tǒng)和傳統(tǒng)氯消毒方法，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的Trojan紫外線系統(tǒng)與目前的氯化處理工藝相比，更為穩(wěn)定和有效，而每加侖處理成本卻顯著降低。紫外線處理法在流過式流道中約用6～10秒鐘，而氯化處理在接觸池中的處理時(shí)間則需15～20分鐘。根據(jù)Trojan的文獻(xiàn)資料，紫外線消毒可大大降低投資和運(yùn)行成本。采用紫外線處理法，可消除對(duì)容納高峰流量的大型接觸池的需要。由于整個(gè)方法及市場(chǎng)上銷售的相關(guān)設(shè)備均設(shè)計(jì)成室外運(yùn)行，因而需要的占地面積小，不需要廠房。
但石英燈殼的清潔與維護(hù)可能成為一項(xiàng)耗時(shí)的工作，特別是采用多燈低壓系統(tǒng)時(shí)更是如此，其中石英燈殼在幾乎所有現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中均為保護(hù)紫外線燈或光源所必需的和至關(guān)重要的。工作時(shí)，當(dāng)紫外線燈和石英燈殼懸掛在待處理的水中，水中的礦物質(zhì)和污染物會(huì)沉淀到石英燈殼上，使燈殼表面臟污。這種臟污會(huì)降低紫外線燈的能效，因?yàn)榕K污會(huì)妨礙紫外線射入水中。為節(jié)省時(shí)間，防止石英燈殼臟污，可配備一種可手動(dòng)或可自動(dòng)操作的清潔裝置，象用刮水器一樣滑過燈殼表面以清除會(huì)擋住紫外線燈發(fā)出的光線的沉淀物。這樣可提高性能，縮短維護(hù)時(shí)間，只是水質(zhì)較低。每種情況下，罩在石英燈殼內(nèi)的紫外線燈均必須至少每月拆下一次進(jìn)行清潔，視已知系統(tǒng)的具體情況及入水及流量而定。清潔時(shí)需要臨時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)或?qū)⑾到y(tǒng)轉(zhuǎn)向其它紫外線燈，因此系統(tǒng)關(guān)閉會(huì)降低處理能力并/或增加運(yùn)行成本。此外，石英燈罩型燈非常沉重，需要用起重機(jī)將燈從水流中吊起進(jìn)行清潔。起重機(jī)和起重時(shí)間代價(jià)較為昂貴，因而增大了系統(tǒng)總體費(fèi)用?？傊?，只有一家公司，即WaterHealth公司會(huì)建議紫外線系統(tǒng)中使用非浸入式燈，但在廣告材料中明確限定只適用于且唯一適用于不需要進(jìn)行高度凈化的場(chǎng)合，如已進(jìn)行過凈化的飲用水而不是污水處理。
這些現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)在儲(chǔ)存池及反應(yīng)容器中不采用光學(xué)部件，也不采用反射材料或光催化材料。
因此，仍然需要一種維護(hù)時(shí)間更短和維護(hù)成本更低，在已知消毒標(biāo)準(zhǔn)下能處理較大流量，設(shè)備、設(shè)施及系統(tǒng)的總體成本更低的紫外線消毒系統(tǒng)用于處理含廢物液體。另外，仍然需要有能夠清除或降解液體中有機(jī)化合物和其它化學(xué)污染物，并具有維護(hù)工作量少且費(fèi)用較低特點(diǎn)的水凈化系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)含廢物液體進(jìn)行處理的紫外線消毒和化學(xué)還原系統(tǒng)及方法，其中紫外線或其它活化波長(zhǎng)可使水中化學(xué)藥品進(jìn)行催化還原，且紫外線光源與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)和設(shè)備相比，需要較少的維護(hù)和成本，同時(shí)對(duì)于已知進(jìn)水及流量，可達(dá)到至少同樣的消毒標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明的目的之一是提供一種用于處理含廢物液體的紫外線消毒系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)和布置上至少有一個(gè)紫外線光源或燈起有效作用，其中紫外線光源或燈不浸沒在待消毒液體中。紫外線光源布置在待消毒液體的外部，通過至少一個(gè)紫外線劑量區(qū)進(jìn)行照射，其中紫外線射入該區(qū)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的包括在至少兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的紫外線光源一種垂直立管結(jié)構(gòu)和一種平面或水平結(jié)構(gòu)。在垂直立管結(jié)構(gòu)中，紫外線光源布置在待處理的含廢物液體的上方，其中將紫外線劑量區(qū)向下投射并進(jìn)入待處理含廢物液體而含廢物液體朝紫外線光源方向向上流動(dòng)。另一種結(jié)構(gòu)是，紫外線光源可以平面或水平的形式布置，其中紫外線光源布置在待處理的含廢物液體的上方，并將紫外線劑量區(qū)向下投射并進(jìn)入待處理含廢物液體，而其中含廢物液體沿基本上與紫外線劑量區(qū)垂直的方向流動(dòng)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一個(gè)紫外線劑量區(qū)，其中包括至少一個(gè)區(qū)，更優(yōu)選四個(gè)區(qū)優(yōu)選，其中一個(gè)區(qū)包含一個(gè)布置在紫外線光源和待處理液體之間的界面區(qū)，另一個(gè)區(qū)包含一個(gè)布置在液體內(nèi)的反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)區(qū)可由一個(gè)具有催化特性的界面板形成，用于增強(qiáng)所需的反應(yīng)。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及處理含廢物液體的方法，此方法至少用一個(gè)紫外線光源投射的紫外線對(duì)含廢物液體進(jìn)行消毒，其中紫外線光源布置在含廢物液體的外部。
因此，本發(fā)明特征之一是提供用于對(duì)含廢物液體進(jìn)行消毒的系統(tǒng)和方法，其中包括至少一個(gè)布置在待處理的含廢物液體外部的紫外線光源，且至少一個(gè)紫外線光源產(chǎn)生至少一個(gè)紫外線劑量區(qū)，用于對(duì)含廢物液體進(jìn)行消毒。
本發(fā)明另一個(gè)特征是提供用于對(duì)液體進(jìn)行消毒和凈化的系統(tǒng)和方法，其中包括至少一個(gè)布置在待處理液體外部的紫外線光源，且至少一個(gè)紫外線光源產(chǎn)生四個(gè)紫外線劑量區(qū)，用于對(duì)液體進(jìn)行消毒，其中一個(gè)區(qū)位于界面區(qū)，一個(gè)區(qū)位于布置在紫外線光源和待處理液體之間的反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)區(qū)可由具有催化特性的界面板形成，用于增強(qiáng)所需的反應(yīng)。
本發(fā)明還有一個(gè)方面，是提供用于對(duì)含廢物液體進(jìn)行消毒的系統(tǒng)和方法，其中包括至少一個(gè)布置在待處理的含廢物液體外部的紫外線光源，且至少一個(gè)紫外線光源產(chǎn)生至少一個(gè)紫外線劑量區(qū)，用于對(duì)含廢物液體進(jìn)行消毒，其中至少一個(gè)紫外線光源為中密度至高密度紫外線光源或光譜校準(zhǔn)燈。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在對(duì)照附圖閱讀以下優(yōu)選具體實(shí)施例之后，本發(fā)明的上述特征及其它特征便一目了然。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)示意圖的側(cè)視圖。
圖2為依據(jù)本發(fā)明所述而構(gòu)造的垂直立管結(jié)構(gòu)中的紫外線消毒系統(tǒng)側(cè)視圖。
圖3為圖2所示具體實(shí)施例的分解側(cè)視圖。
圖4所示為本發(fā)明另一種具體實(shí)施例的紫外線消毒系統(tǒng)示意圖。
圖5為圖4所示具體實(shí)施例的分解側(cè)視圖。
圖6為垂直立管結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的紫外線劑量區(qū)示意圖。
圖7所示為本發(fā)明另一種具體實(shí)施例中產(chǎn)生的紫外線劑量區(qū)示意圖。
具體的優(yōu)選實(shí)施例在以下說明中，同類參考符號(hào)用于標(biāo)明幾個(gè)視圖中同類或相應(yīng)的部件。另外在以下說明中，要知道如“向前”、“向后”、“前面”、“后面”、“右”、“左”、“向上”、“向下”等術(shù)語(yǔ)為方便用語(yǔ)，不應(yīng)視為限定性術(shù)語(yǔ)。
總之，現(xiàn)在參閱附圖，示意圖旨在說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非以此來(lái)限定本發(fā)明。圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)含廢物液體的紫外線消毒系統(tǒng)，其中紫外線光源PA16浸沒于含廢物液體中。未經(jīng)處理的進(jìn)水PA12進(jìn)入系統(tǒng)，流經(jīng)浸沒的光源，流出出口時(shí)則為處理過的已消毒出水PA14。與現(xiàn)有技術(shù)相對(duì)比，本發(fā)明涉及用于處理液體的紫外線消毒系統(tǒng)和方法，其在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上至少有一個(gè)紫外線光源或燈有效發(fā)揮作用，其中紫外線光源或燈不浸沒在液體中。
本發(fā)明的非浸沒式結(jié)構(gòu)有利地防止了燈及/或燈殼破裂及燈殼臟污有關(guān)的問題。另外，本發(fā)明的非浸沒式結(jié)構(gòu)還防止了與液體極端溫度有關(guān)的問題。熒光燈，包括紫外線燈，在低溫下會(huì)損失大量的輸出。因而，非浸沒式系統(tǒng)因?qū)襞c待處理液體分隔布置，燈的溫度可保持在較理想的溫度，也不需要冷卻或加熱液體。因而，此系統(tǒng)可更有效地對(duì)極端環(huán)境進(jìn)行消毒，如冷凍機(jī)、冷卻器、熱水器等等。
垂直立管結(jié)構(gòu)(VRC)依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，紫外線光源可以垂直立管結(jié)構(gòu)形式布置，圖2中總體表示為100，其中液體流出蓄水池或儲(chǔ)水箱110，通過管道或出水口120流入垂直立管結(jié)構(gòu)(VRC)200，經(jīng)過垂直立管結(jié)構(gòu)之后從管道或出水口140排出，用于消費(fèi)或最終使用。此外，VRC(圖3中總體表示為200)包括至少一個(gè)紫外線光源310。此紫外線光源310是燈部件(圖5中總體表示為300)的一個(gè)組成部分。燈部件300由罩住紫外線光源310的燈殼320、紫外光線330、至少一個(gè)光學(xué)元件340及射出燈殼的紫外線輸出350構(gòu)成。參閱圖3，紫外線輸出350在待處理液體210上方射出燈殼，該液體從儲(chǔ)水箱或蓄水池110的出水管120流入VRC，被向上強(qiáng)制通過VRC200的內(nèi)管220，流向紫外線輸出350，紫外線輸出向下射向液體表面230并射入待處理液體210，液體再向上向紫外線光源310方向流動(dòng)。內(nèi)管220頂部至少可安裝一個(gè)界面板240，以增加紫外線輸出350照射液體210的時(shí)間。至少一個(gè)界面板240含有一個(gè)或多個(gè)孔或250，使液體通過內(nèi)管220上升，在管道頂部流出。液體然后橫穿界面板240的上表面260，流向界面板邊270，再在此落入VRC的外室280。將內(nèi)管220外表面與外管295內(nèi)表面牢固連接的底板290，可防止液體回流入內(nèi)管220。然后液體通過管道或出水口140流出VRC 200。紫外線330可從包括光學(xué)元件的紫外線光源或燈系統(tǒng)310向下投射。這些光學(xué)元件可包括，但不限定于反射器、快門、透鏡、分光鏡、調(diào)焦器、反光鏡、剛性或柔性光導(dǎo)、均化器或混合棒、歧管或其它聯(lián)接器、濾光鏡、格柵、衍射器、色輪等等。這些光學(xué)元件屬燈系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件，布置在紫外線光源或燈310與燈部件300的紫外線輸出350之間，在此聚焦、導(dǎo)向和控制燈紫外線輸出350，其照射液體210并對(duì)液體210中存在的微生物進(jìn)行消毒。紫外線輸出350照射液體210，也可從液體中透射。從液體中透射并射到VRC部件反射性內(nèi)表面(圖中未表示出)的紫外線輸出350，被反射入液體，在液體中透射微生物。紫外線輸出350由VRC部件的反射性內(nèi)表面反射入液體，增強(qiáng)了VRC系統(tǒng)200的殺菌能力。
另外，界面板可具有催化特性，從而使界面板附近發(fā)生某些反應(yīng)。例如，由玻璃或其它適當(dāng)材料制成的界面板內(nèi)可含有TiO2。用紫外線照射這種板時(shí)，脂肪酸和其它有機(jī)化學(xué)藥品被化學(xué)還原，降解為更小的揮發(fā)性產(chǎn)品，如甲烷、乙烷等。另外，在此系統(tǒng)中硝酸離子被還原為元素氮。因而，界面板中含有TiO2，再加上紫外線照射，降低了兩種潛在人體毒素——有機(jī)化學(xué)藥品及硝酸離子的含量。界面板還可具有機(jī)械作用或其它物理作用。例如，該板可研磨及/或過濾液體中含有的顆粒。該板還可為反應(yīng)區(qū)進(jìn)行冷卻、提供熱量、蒸汽或氣體，增強(qiáng)所需的反應(yīng)或抑制不需要的反應(yīng)。也可添加熱量、蒸汽或其它氣體，以增大蒸汽區(qū)?？傊?，界面板可用于促進(jìn)表面反應(yīng)及/或表面/空氣反應(yīng)。
特別有利的是，從VRC裝置流出整套系統(tǒng)的消毒、凈化水不含任何微生物，無(wú)需添加會(huì)增大水中總?cè)芙夤腆w量的化學(xué)藥品或其它添加劑。
蓄水池結(jié)構(gòu)采用另一種方式或與VRC系統(tǒng)相結(jié)合，非VRC結(jié)構(gòu)可有利地建造和構(gòu)成，用非浸沒式紫外線光源對(duì)蓄水池、儲(chǔ)水箱或其它不流動(dòng)的儲(chǔ)水設(shè)施進(jìn)行消毒，無(wú)論水駐留的時(shí)間長(zhǎng)短如何。優(yōu)選液體經(jīng)過了預(yù)處理，已經(jīng)消毒和凈化，其中含有較低的總?cè)芙夤腆w量。預(yù)處理可在含有催化板的VRC系統(tǒng)中進(jìn)行，在對(duì)水進(jìn)行消毒的同時(shí)，降低水中的有機(jī)及無(wú)機(jī)污染物含量。如圖4和圖5所示，本發(fā)明(總體表示為400)為非立管式結(jié)構(gòu)(NRC)，其中包括至少一個(gè)紫外線光源310。該紫外線光源310是燈部件的組成部分，圖5中總體表示為300。燈部件300由罩住紫外線光源310的燈殼320、紫外線330、至少一個(gè)光學(xué)元件340、射出燈殼的紫外線輸出350構(gòu)成。參閱圖4，紫外線輸出350在待處理液體212上方射出燈殼320，該液體貯存在儲(chǔ)水箱或蓄水池112中，不向上強(qiáng)制流向紫外線輸出350，紫外線輸出向下射向液體表面232并射入待處理液體212，液體212不再被強(qiáng)制向紫外線光源310方向流動(dòng)。紫外線輸出350從包括前面所述的光學(xué)元件的紫外線光源或燈系統(tǒng)300向下投射。光學(xué)元件可包括，但不限定于反射器、快門、透鏡、分光鏡、調(diào)焦器、反光鏡、剛性或柔性光導(dǎo)、均化器或混合棒、歧管及其它聯(lián)接器、濾光鏡、格柵、衍射器、色輪等等。這些光學(xué)元件屬燈系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件，布置在紫外線光源或燈310與燈系統(tǒng)300的紫外線輸出350之間，在此聚焦、導(dǎo)向和控制紫外線輸出350，其照射液體212并對(duì)液體212中存在的任何微生物進(jìn)行消毒。紫外線輸出350照射液體212，也可從液體中透射。從液體中透射并射到儲(chǔ)水箱112的反射性內(nèi)表面的紫外線輸出350，被反射入液體，在液體中透射微生物。紫外線輸出350由儲(chǔ)水箱112的反射性內(nèi)表面反射入液體，增強(qiáng)了NRC系統(tǒng)400的殺菌能力。
平面結(jié)構(gòu)相對(duì)于垂直和蓄水池結(jié)構(gòu)的另一種結(jié)構(gòu)是，紫外線光源可以平面或水平的形式(圖中未表示)布置，其中紫外線光源布置在紫外線光源系統(tǒng)內(nèi)部，包括光學(xué)元件位于待處理的含廢物液體的上方，并朝待處理的含廢物液體方向向下投射一個(gè)紫外線劑量區(qū)，射入待處理含廢物液體中，其中含廢物液體從進(jìn)水點(diǎn)基本上沿與紫外線光源垂直的方向向出水點(diǎn)流動(dòng)。
依據(jù)本發(fā)明所述的紫外線消毒系統(tǒng)和方法設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵因素，是兩個(gè)主要部分的結(jié)合，包括非浸沒式紫外線光源和水壓系統(tǒng)。光源系統(tǒng)包括包圍和支撐紫外線光源或燈的燈殼，燈中至少包含一個(gè)光學(xué)元件，其布置和安排可將紫外線導(dǎo)向并通過輸出，在此將紫外線射入含廢物的液體，對(duì)液體進(jìn)行消毒。
水壓系統(tǒng)包括一個(gè)水壓管和泵水系統(tǒng)，用于迫使含廢物液體向上流經(jīng)水壓管，流向光源。本發(fā)明采用的水壓系統(tǒng)包括輸送裝置或泵水系統(tǒng)，以及至少一個(gè)界面板。水壓系統(tǒng)至少起著三種作用將進(jìn)入的污水運(yùn)送至界面并使水流向至少一個(gè)界面板，并將處理過的進(jìn)水作為出水向河流排放。VRC系統(tǒng)可包括帶監(jiān)視和指示燈系統(tǒng)的快接燈具和燈殼，其用于指示紫外線燈是否出現(xiàn)故障。每個(gè)立管均可配備單獨(dú)的專用燈具和光學(xué)系統(tǒng)，相鄰燈具之間有重疊，以避免出現(xiàn)死區(qū)。VRC系統(tǒng)中的每個(gè)立管還可配備閥門，出現(xiàn)故障時(shí)可關(guān)閉該立管。
特別有利的是，這些系統(tǒng)內(nèi)部造就了數(shù)個(gè)紫外線劑量區(qū)。在VRC系統(tǒng)中，如圖3和圖5所示，紫外線光源310布置在紫外線光源系統(tǒng)300中，其中包含上述光學(xué)元件，位于待處理液體上方，并紫外線劑量區(qū)朝待處理液體方向向下投射入待處理液體中，液體從進(jìn)水點(diǎn)120垂直向上沿內(nèi)管220，朝紫外線光源310的方向流動(dòng)，然后通過界面板240從內(nèi)管220中流出。至少一個(gè)紫外線光源布置在待處理液體上方，紫外線輸出350向下射入待處理液體，其中液體朝紫外線光源方向向上流動(dòng)。VRC系統(tǒng)內(nèi)設(shè)數(shù)個(gè)紫外線劑量區(qū)，在圖6中總體表示為500。第一個(gè)區(qū)是光源系統(tǒng)出口紫外線劑量區(qū)510，出現(xiàn)于光源系統(tǒng)與空氣界面。下一個(gè)區(qū)是空氣紫外線劑量區(qū)520，出現(xiàn)在紫外線光源正下方及水與至少一個(gè)界面板240的正上方。下一個(gè)區(qū)是蒸汽區(qū)525，出現(xiàn)在水面的正上方。下一個(gè)區(qū)是界面板紫外線劑量區(qū)530，出現(xiàn)在水與至少一個(gè)界面板240的交界處。至少一個(gè)界面板提供用于提供反應(yīng)區(qū)，對(duì)流過該板的液體進(jìn)行消毒，并提供額外的處理措施平衡pH值，影響出水的化學(xué)性質(zhì)、提供催化劑等。例如，界面板可含有TiO2，促進(jìn)離子和化合物的還原。特別是TiO2用于將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為元素氮。這種處理正是所希望的，因?yàn)閬喯跛猁}與兒童發(fā)育缺陷密切相關(guān)。另外，玻璃含有的TiO2在紫外線的照射下，會(huì)降解玻璃外部鄰近的脂肪酸及其它有機(jī)化合物。因而這種板可用于降解水中含有的有機(jī)污染物。另外，紫外線可催化各種反應(yīng)，紫外線與一種或過?；瘜W(xué)催化劑組合一起使用，可產(chǎn)生許多可能的催化組合，用于催化無(wú)數(shù)所需的反應(yīng)。光催化劑可包括光敏半導(dǎo)體，如二氧化鈦TiO2(光活化波長(zhǎng)不超過388納米)、氧化鎢WO2(光活化波長(zhǎng)不超過388納米)、氧化鋅ZnO(光活化波長(zhǎng)不超過388納米)、硫化鋅ZnS(光活化波長(zhǎng)不超過344納米)和氧化錫SnO2(光活化波長(zhǎng)不超過326納米)。除這些催化劑之外，還有其它催化劑，如PtTiO2?？紤]到TiO2的活化能很高，可優(yōu)選作為光催化劑，該催化劑經(jīng)久耐用，人類應(yīng)用的安全性已經(jīng)過認(rèn)證，因?yàn)門iO2已長(zhǎng)期安全地應(yīng)用于化妝品及食品工業(yè)。另外，界面板可以是生物過濾器，含有與液體中所含基質(zhì)反應(yīng)的酶或細(xì)菌。
最后一個(gè)區(qū)是浸沒式紫外線劑量區(qū)540，這個(gè)區(qū)產(chǎn)生了一個(gè)變化的紫外線劑量區(qū)，因距紫外線光源較遠(yuǎn)而能效下降。
對(duì)于一般靜態(tài)非立管式結(jié)構(gòu)，這些區(qū)與VRC系統(tǒng)所述區(qū)不同。在一般靜態(tài)非立管式系統(tǒng)(圖7中總體表示為600)中，第一個(gè)區(qū)是光源系統(tǒng)出口紫外線劑量區(qū)610，出現(xiàn)于光源系統(tǒng)與空氣界面。下一個(gè)區(qū)是空氣紫外線劑量區(qū)620，出現(xiàn)在紫外線光源正下方及水面230的正上方。下一個(gè)區(qū)是蒸汽區(qū)，出現(xiàn)在水面的正上方。最后一個(gè)區(qū)是浸沒式紫外線劑量區(qū)640，這個(gè)區(qū)產(chǎn)生了一個(gè)變化的紫外線劑量區(qū)，因距紫外線光源較遠(yuǎn)而能效下降。
對(duì)于水平結(jié)構(gòu)，這些區(qū)與VRC及蓄水池結(jié)構(gòu)不同。這些系統(tǒng)內(nèi)部建造了數(shù)個(gè)紫外線劑量區(qū)(圖中未表示)。第一個(gè)區(qū)是空氣紫外線劑量區(qū)，出現(xiàn)在紫外線光源正下方及水的正上方。下一個(gè)區(qū)是空氣/水界面紫外線劑量區(qū)，出現(xiàn)在空氣與水的分界面上。最后一個(gè)區(qū)為浸沒式紫外線劑量區(qū)，出現(xiàn)在流水之中。
在總體考慮紫外線光源及其結(jié)構(gòu)時(shí)，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包含至少一個(gè)位于紫外線光源與紫外線光源系統(tǒng)輸出點(diǎn)之間的光學(xué)元件。特別有利的是，采用光學(xué)元件，系統(tǒng)可針對(duì)任何已知的紫外線光源或燈，使強(qiáng)度、聚焦及輸出處的紫外線控制等性能達(dá)到最佳化。此外，光學(xué)元件，包括但不限定于反射器、快門、透鏡、分光鏡、反光鏡、剛性及柔性光導(dǎo)、均化器或混合棒、歧管及其它聯(lián)接器、濾光鏡、色輪等，可組合采用，以獲得所需的控制和輸出，如美國(guó)專利號(hào)6,027,237、5,917,986、5,911,020、5,892,867、5,862,277、5,857,041、5,832,151、5,790,725、5,790,723、5,751,870、5,708,737、5,706,376、5,682,448、5,661,828、5,559,911、D417,920以及共同審理中的申請(qǐng)09/523,609和09/587,678，這些專利同屬于本發(fā)明的專利受讓人，并納入了本申請(qǐng)，以整體的形式作為參考。另外，也可使用諸如格柵、二色濾光器、調(diào)焦器、梯度透鏡及軸外反射器等光學(xué)元件。
至于光導(dǎo)，可由丙烯酸、玻璃、液相芯、空心芯、芯-護(hù)套及其組合構(gòu)成。
至于透鏡，展現(xiàn)了數(shù)種具體實(shí)施例。成像透鏡(如拋物面透鏡)及非成像透鏡(如梯度透鏡)均可采用。梯度透鏡通過采光口收集光線，再聚焦在一個(gè)比采光口更小的面積上。這種集中是通過以連續(xù)或半連續(xù)的形式，沿光傳導(dǎo)軸改變透鏡的折射系數(shù)，使光線經(jīng)折射“成漏頭狀”集中到聚焦面積。梯度透鏡技術(shù)的實(shí)例之一是Solaria公司制造的Gradium透鏡。另一種方法是使用如美國(guó)專利5,836,667所述的環(huán)面反射器，。在此具體實(shí)施例中，紫外線輻射源(如弧光燈)位于偏離環(huán)形反射凹面光軸的一個(gè)點(diǎn)上。凹面一次反射器將來(lái)自光源的輻射聚焦在偏離光軸的軸外成像點(diǎn)。與球形反射表面相比，由于基本上減小了因偏軸幾何關(guān)系所產(chǎn)生的像差，采用環(huán)形反射表面增強(qiáng)了向小目標(biāo)(如光纖)聚焦光線的效率。第二凹面反射器與第一反射器相對(duì)，進(jìn)一步增強(qiáng)了小目標(biāo)所收集的光通量。
另外，一個(gè)燈可用一個(gè)以上反射器。例如，在優(yōu)選實(shí)施例中可采用雙反射器或三個(gè)或更多個(gè)反射器(如美國(guó)專利5,706,376和5,862,277所述)。這些反射器也可采用分光反射器及(或)級(jí)聯(lián)反射器。
總之，透射光學(xué)元件為紫外線透射元件，反射光學(xué)元件為紫外線反射元件。另外，任意光學(xué)元件，包括燈殼，均可由丙烯酸或類似材料制造，歷經(jīng)接觸紫外線一段時(shí)間便會(huì)降解。這些元件的性能下降到無(wú)法接受的程度時(shí)，可以更換。
值得注意的是，依據(jù)本發(fā)明所述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中可采用包括低壓、中壓、高壓和超高壓燈在內(nèi)任意數(shù)量的燈，具體數(shù)量視流經(jīng)系統(tǒng)的液體或進(jìn)水特性及流量而定，這些燈可由各種材料制造，例如最常用的汞(Hg)燈。此外，到目前為止，高壓及超高壓燈尚未在任何現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段，尤其是由于這類燈的能效低，采用高壓紫外線燈的現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案能力不足，本發(fā)明的有利之處在于適于采用中壓至高壓至超高壓燈。具體地說，依據(jù)本發(fā)明所述的優(yōu)選實(shí)施例中采用了中壓至高壓紫外線燈，更優(yōu)選高壓紫外線燈。本發(fā)明有利之處是適于采用中壓至高壓乃至超高壓燈，其中所有燈均可為金屬、鹵素或組合金屬鹵化物燈。另外，光譜校準(zhǔn)燈、無(wú)電極燈等均可使用。
具體地說，依據(jù)本發(fā)明所述的優(yōu)選實(shí)施例采用了筆型光譜校準(zhǔn)燈。這些燈結(jié)構(gòu)緊湊，可產(chǎn)生較窄、較強(qiáng)的輻射。其平均強(qiáng)度穩(wěn)定且具有可重現(xiàn)性。這些燈與其它高瓦數(shù)燈相比，壽命較長(zhǎng)。這種汞(氬)燈一般對(duì)溫度不敏感，只需二分鐘預(yù)熱使汞蒸汽能控制放電，然后等30分鐘即達(dá)到完全穩(wěn)定。
依據(jù)本發(fā)明所述的優(yōu)選實(shí)施例中采用了汞(氬)紫外線燈，目前市場(chǎng)上有售，由ORIEL Instruments公司提供。ORIEL汞(氬)燈6035型可發(fā)出波長(zhǎng)為254納米的紫外線。使用直流電源，工作電流為15毫安時(shí)，該燈在距離光源25厘米處的254納米輻射為74微瓦/cm2。
依據(jù)本發(fā)明所述的系統(tǒng)采用中壓至高壓紫外線燈，配置在液體或水流上方發(fā)揮作用，并不象應(yīng)用于所有水處理場(chǎng)合的所有現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)一樣，浸沒于液流中。采用這種系統(tǒng)，用于處理給定進(jìn)水和流量的必要燈數(shù)可減少的因子可能為10，這是實(shí)際應(yīng)用中最大的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于燈不浸沒于待消毒液體中，故不易受到臟污影響。此外，本發(fā)明的設(shè)計(jì)可使水中的熱量大為減少。此外，保養(yǎng)和維修大為簡(jiǎn)化。另外，在依據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例所述的垂直立管結(jié)構(gòu)中，可包括許多垂直布置的圓柱形管的反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，包含水壓系統(tǒng)，其中含有泵壓設(shè)備，泵壓功率巨大。此外，本發(fā)明是用于含廢物液體消毒系統(tǒng)中的光學(xué)紫外線光源系統(tǒng)。因而，用于確定能效的傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型用于本發(fā)明便不適當(dāng)、不可行。這樣，如果采用與紫外線光源有關(guān)的光學(xué)元件，采用中壓至高壓紫外線燈并采用至少一個(gè)紫外線劑量區(qū)位于待處理水的外部，則本發(fā)明便提出了一種現(xiàn)有技術(shù)或預(yù)測(cè)含廢物液體消毒及其流量的數(shù)學(xué)模型中從未闡明或提出的，設(shè)計(jì)、建造和操作紫外線含廢物液體消毒系統(tǒng)的革命性方法。
在依據(jù)本發(fā)明所述的具體實(shí)施例中，紫外線光源為聚變射頻紫外線燈，目前市場(chǎng)有售，由Fusion UV Systems公司提供。依據(jù)本發(fā)明所述，聚變燈是平面垂直立管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)選燈，采用此燈，系統(tǒng)內(nèi)待處理液體可快速流動(dòng)。這種聚變燈與低壓燈的光譜類似，有非常強(qiáng)的UVB和UVC量和輸出，但屬高功率燈，功率約為200瓦/厘米。更為重要的是，如前所述，尚無(wú)現(xiàn)有技術(shù)闡明或提出采用高壓燈，事實(shí)上，包括由Dr.George Tchobanoglous開發(fā)的所有標(biāo)準(zhǔn)方案中，均使用低壓燈。
令人驚奇的是，所附用于證實(shí)本發(fā)明新穎性和非顯而易見性的資料，說明高壓燈的UVB和UVC能效約為7～8％，與之相比，殺菌燈約為20～21％，中壓燈約為5％。因此，根據(jù)以下分析，一只聚變燈可取代約40只殺菌燈或約20只中壓燈[x型燈數(shù)]/[y型燈數(shù)]＝[P/L(y型)]*[能效(y型)]/[P/L(x型)]/[能效(x型)][#MPL]/[#HPL]～[200*8％]/[20*5％]～20[#LPL]/[#HPL]～[200*7％]/[2*21％]～40因此，視已知系統(tǒng)具體進(jìn)水組合物和所需流量而定，本發(fā)明僅使用幾百個(gè)紫外線高壓燈(HPL)，而不象現(xiàn)有技術(shù)的紫外線水消毒系統(tǒng)中使用至少約11,500只300W MPLS(中壓燈)。這些效果令人驚奇，現(xiàn)有系統(tǒng)有效運(yùn)行所采用的設(shè)計(jì)和配置的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)或方案卻達(dá)不到。依據(jù)本發(fā)明所述，依據(jù)本發(fā)明所述可采用各種管型燈用于需要不同劑量(焦耳/升)對(duì)各種凈化程度的水進(jìn)行消毒的低壓(功率)殺菌燈(LPL)、中壓(功率)燈(MPL)及超高功率燈(UHPL)，達(dá)到了使紫外線水消毒系統(tǒng)采用中壓至高壓紫外線燈成為現(xiàn)實(shí)的令人驚奇的效果。
高功率燈系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是超紫外線波長(zhǎng)強(qiáng)度足夠時(shí)，也可破壞微生物或使其喪失活動(dòng)能力。有幾種可能的作用機(jī)理，但總之，是高劑量使細(xì)胞成分變性，如蛋白質(zhì)、細(xì)胞膜等，并使微生物失活。
處理水的紫外線消毒系統(tǒng)及方法的其它問題有安裝成本及燈的壽命。聚變燈的壽命約為5000小時(shí)，與低壓燈(LPL)不相上下，與中壓燈(MPL)的壽命也不相上下。聚變燈的安裝成本略高一些，但保養(yǎng)及運(yùn)行的相關(guān)費(fèi)用較低，從而與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相比整體費(fèi)用相對(duì)較低。
依據(jù)本發(fā)明所述的系統(tǒng)采用中壓到高壓紫外線燈，配置在液體或水流上方發(fā)揮作用。采用這種系統(tǒng)，用于處理給定進(jìn)水和流量的必要燈數(shù)可減少的因子可能為10，這是實(shí)際應(yīng)用中最大的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于燈不浸沒于待消毒含廢物液體中，故不易受到臟污影響。另外，本發(fā)明的設(shè)計(jì)可使水中的熱量大為減少。此外，保養(yǎng)和維修大為簡(jiǎn)化。另外，在依據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施例所述的垂直立管結(jié)構(gòu)中，包括許多垂直布置的圓柱形管的反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，包括液壓系統(tǒng)，其中含有泵壓設(shè)備，泵壓功率巨大。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是包括了上述所有特點(diǎn)，特別是由于紫外線燈與流體分離且包含纖維光學(xué)傳輸系統(tǒng)，以及采用了千瓦級(jí)燈，如Vortek超高功率放電(UHPD)燈或市場(chǎng)銷售的同類燈。這些燈的功率范圍從幾十個(gè)千瓦到兆瓦范圍。幾何形狀與中功率燈一樣為圓柱形，但其功率卻強(qiáng)約1000倍。特別有利的是，這種燈使設(shè)施更為簡(jiǎn)化，其維修和保養(yǎng)更為容易，進(jìn)行的次數(shù)也較少。
依據(jù)本發(fā)明所述的紫外線含廢物液體消毒系統(tǒng)的適用性，使采用與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相似的燈結(jié)構(gòu)整體幾何形狀成為可能。但優(yōu)選采用功率高得多的燈，從而降低了水處理設(shè)施的復(fù)雜程度和費(fèi)用。本發(fā)明中這種較高壓和功率紫外線光源的新穎組合產(chǎn)生了令人驚奇的效果，即使是采用現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)即水平流動(dòng)型結(jié)構(gòu)之處。此外，在紫外線光源系統(tǒng)內(nèi)用于聚焦、控制和增加射入待消毒液體中的紫外線輸出強(qiáng)度的光學(xué)元件，增大了本發(fā)明的整體效率，即使采用了改型的幾何關(guān)系。
因而本發(fā)明既可有效地配置為與現(xiàn)有技術(shù)類系統(tǒng)相似，也可采用改型的幾何關(guān)系，即燈布置在水平液流的上方，同時(shí)仍然不可思議地采用新穎且非顯而易見的元件，如UHPL和HPL的組合，或與現(xiàn)有技術(shù)的所有水處理系統(tǒng)較為懸殊或完全不同的型式，采用圖2所示包括垂直立管幾何關(guān)系的結(jié)構(gòu)，包括采用至少一個(gè)界面板。在改型的幾何關(guān)系或結(jié)構(gòu)中，每只燈下均有一個(gè)誘導(dǎo)紊流的葉片浸沒于液流中，用于保證充分混合，從而確保含廢物液體中的所有微生物均受到紫外線劑量區(qū)照射，殺滅這些微生物。然而采用垂直立管結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生更為令人驚奇的效果，因?yàn)樵诖幚硪后w被水壓系統(tǒng)向包括紫外線光源或燈及光學(xué)元件在內(nèi)的紫外線光源系統(tǒng)方向推進(jìn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)紫外線劑量區(qū)。
本發(fā)明具體采用了兩種主要的燈，其中至少一個(gè)光源用于給定結(jié)構(gòu)。具體地說，一種管形燈一般長(zhǎng)約1000mm，直徑約為30至60mm。聚變燈在距離約250mm處產(chǎn)生紫外線，中部直徑約8mm，靠近燈兩端的直徑約14mm。另外在其它結(jié)構(gòu)中優(yōu)選采用一種高功率、短弧光(HP-SA)燈外形優(yōu)選。更為重要的是，備選燈具體實(shí)施例，包括但不限定于備選燈的設(shè)計(jì)、功率及紫外線輸出效率以及其適當(dāng)?shù)耐惍a(chǎn)品，可代替本文所標(biāo)明的這些燈，作為優(yōu)選實(shí)施例，而不背離本發(fā)明的范圍及闡述。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征至少包括如下采用超高功率燈，降低照明系統(tǒng)的復(fù)雜性；燈與液流分離，排除了臟污問題；由于超高功率燈如Vortek燈是浸沒于自身的流水(經(jīng)過凈化的水)冷卻套管中的，大部分熱量均散發(fā)在Vortek型燈的冷卻系統(tǒng)中，一定程度上排除了對(duì)排熱冷光鏡的需要；由于使用的零部件數(shù)量少得多(大概少于零部件的1％)，維修費(fèi)用會(huì)低得多。如果對(duì)于依據(jù)本發(fā)明所述而構(gòu)造的已知系統(tǒng)，燈的壽命較長(zhǎng)，則維修費(fèi)用也同樣降低。
本發(fā)明可使系統(tǒng)顯著簡(jiǎn)化，運(yùn)行成本可能顯著降低，能夠處理大量的水，也可處理較小量的水，如家庭使用。對(duì)于單一住宅系統(tǒng)，可構(gòu)造和配置單一垂直立管紫外線光源系統(tǒng)，安裝在已處理污水出口上。在這種系統(tǒng)中，紫外線光源布置在含有光學(xué)元件的紫外線光源內(nèi)，位于待處理液體上方，并朝待處理液體方向向下投射一個(gè)紫外線劑量區(qū)，射入待處理液體，其中液體從進(jìn)水點(diǎn)沿與紫外線光源垂直的方向流動(dòng)，然后流出出水點(diǎn)。至少一個(gè)紫外線光源布置在待處理液體上方，紫外線向下射入待處理液體，其中液體朝紫外線光源方向向上流動(dòng)。這些系統(tǒng)內(nèi)部造就了數(shù)個(gè)紫外線劑量區(qū)。第一個(gè)區(qū)是光源系統(tǒng)出口紫外線劑量區(qū)，出現(xiàn)于光源系統(tǒng)與空氣界面。然后下一個(gè)區(qū)是空氣紫外線劑量區(qū)，出現(xiàn)在紫外線光源正下方及水與至少一個(gè)界面板處的正上方。下一個(gè)區(qū)是界面板紫外線劑量區(qū)，出現(xiàn)在水與至少一個(gè)界面板的交界處。至少一個(gè)界面板用于提供位于液體上方的紫外線消毒表面區(qū)，以及提供平衡pH值、影響出水化學(xué)特性、提供催化劑等的附加處理措施。最后一個(gè)區(qū)是浸沒式紫外線劑量區(qū)，該區(qū)產(chǎn)生一個(gè)變化的紫外線劑量區(qū)，因距紫外線光源較遠(yuǎn)而能效降低。商用級(jí)建筑物或多家庭住宅用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，只不過使用了多個(gè)垂直立管單元，具體根據(jù)設(shè)施的水流量要求而定。這樣，引起紫外線消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)重大改進(jìn)的各種特點(diǎn)均已說明，即簡(jiǎn)化設(shè)施、降低成本、提高水處理速度，歸根結(jié)底是產(chǎn)品出類拔萃。
本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施例與蓄液池有關(guān)。蓄水池系統(tǒng)的第一個(gè)特征是蓄液池。在這種系統(tǒng)中，紫外線光源布置在含有光學(xué)元件的紫外線光源系統(tǒng)內(nèi)，位于存儲(chǔ)在蓄水池里的液體上方，并朝待預(yù)處理液體內(nèi)向下投射一個(gè)紫外線劑量區(qū)，射入待預(yù)處理液體。蓄水池液體有無(wú)經(jīng)過經(jīng)過事先處理或凈化均可。至少一個(gè)紫外線光源布置在待處理液體上方，紫外線向下射入待預(yù)處理液體。蓄水池系統(tǒng)中采用此光源系統(tǒng)，目的是防止蓄水池中微生物積聚。為配套該系統(tǒng)，可構(gòu)造和配置單一垂直立管紫外線光源系統(tǒng)，安裝在蓄水池系統(tǒng)上。在這種系統(tǒng)中，紫外線光源布置在含有光學(xué)元件(圖中未表示)的紫外線光源系統(tǒng)內(nèi)，位于待處理液體上方，并朝待處理液體方向向下投射一個(gè)紫外線劑量區(qū)，射入待處理液體，其中液體從進(jìn)水點(diǎn)(蓄水池進(jìn)水點(diǎn))沿與紫外線光源垂直的方向流動(dòng)，然后流出出水點(diǎn)。至少一個(gè)紫外線光源布置在待處理液體上方，紫外線向下射入待處理液體，其中液體朝紫外線光源方向向上流動(dòng)。這些系統(tǒng)內(nèi)部造就了數(shù)個(gè)紫外線劑量區(qū)。第一個(gè)區(qū)是光源系統(tǒng)出口紫外線劑量區(qū)，出現(xiàn)于光源系統(tǒng)與空氣界面。然后下一個(gè)區(qū)是空氣紫外線劑量區(qū)，出現(xiàn)在紫外線光源正下方及水的正上方且位于至少一個(gè)界面板處。下一個(gè)區(qū)是界面板紫外線劑量區(qū)，出現(xiàn)在水與至少一個(gè)界面板的交界處。至少一個(gè)界面板用于提供位于液體上方的紫外線消毒表面區(qū)，以及提供平衡pH值、影響出水化學(xué)特性、提供催化劑等的附加處理措施。最后一個(gè)區(qū)是浸沒式紫外線劑量區(qū)，可產(chǎn)生一個(gè)可變的紫外線劑量區(qū)，因距紫外線光源較遠(yuǎn)而能效降低能效。
以上說明了選定紫外線水消毒系統(tǒng)應(yīng)用的一般特點(diǎn)，包括污水處理、其它水凈化，如飲用水等，適用于永久性或固定系統(tǒng)設(shè)施及結(jié)構(gòu)。但本發(fā)明也可應(yīng)用于便攜式水消毒系統(tǒng)。
以下介紹另一個(gè)具體實(shí)施例，其中包括本發(fā)明選定的所需特征。有許多功率極高的管形燈可用于另一個(gè)具體實(shí)施例，以實(shí)現(xiàn)紫外線光源系統(tǒng)與水壓系統(tǒng)的組合?？墒褂弥袎簾?，雖然市場(chǎng)上銷售的TrojanTech型(300W)所標(biāo)明功率級(jí)高得多。中壓燈的功率范圍為千瓦級(jí)。高壓燈，如Vortek燈，由于具有較強(qiáng)的紫外線發(fā)射，功率范圍從幾百個(gè)千瓦到兆瓦級(jí)，是理想的光源。
在一種具體實(shí)施例中，水流在水平溝道或方向上，不需要全部的垂直立管部件，如界面板及某些水壓部件。但在平面或水平(也稱為改型)設(shè)計(jì)中包括光學(xué)元件則較為理想。水的紊流可通過配備浸沒于流道中的水平“葉片”(類似于飛機(jī)機(jī)翼后緣的葉片)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些葉片可在流道內(nèi)形成淺水紊流區(qū)，使帶有細(xì)菌的水經(jīng)過燈時(shí)能更好地受到照射。復(fù)雜的垂直立管的功能就這樣簡(jiǎn)單地得以實(shí)現(xiàn)，使用的零件少得多。
這樣，該結(jié)構(gòu)中包括若干圓柱形或管形光源或燈，布置和安排成非浸沒的結(jié)構(gòu)，位于流動(dòng)的水流上方，相互之間有一個(gè)水平間距，每只燈的大約正下方均配備一個(gè)葉片以產(chǎn)生所需的紊流作用。
控制依據(jù)本發(fā)明所述的這些緊湊/短的弧光類系統(tǒng)的基本物理參數(shù)包括單位長(zhǎng)度燈功率[P]；圓柱形立管水流管道戴面積[A]；需要的劑量[D]，其中D＝能量/體積；以及流速及駐留時(shí)間。為便于分析起見，流槽的寬度約在10厘米至15厘米之間，水體穿透力約10厘米。駐留時(shí)間取決于紊流混合的效果、進(jìn)水特性及污染類型。
直徑10至15厘米流槽的圓柱形立管作為實(shí)際尺寸，因而產(chǎn)生一個(gè)消毒劑量，D＝能量/體積＝E/V，變化范圍從50焦耳/升左右至500焦耳/升左右。
T、P/A及D控制著可能/實(shí)際的水流幾何參數(shù)。由于P/V＝E/V/T其中P＝輸入功率，E＝輸入能量，V＝處理的水的體積，T＝駐留時(shí)間，則P/[A*d]＝D/T其中D＝E/V，輸入能量/體積，或劑量于是，T＝D*d/[P/A]T＝D(焦耳/升)*d(厘米)*(1升/1000厘米^3)/[P/A(瓦/厘米^2)]。
因而，對(duì)于3000W汞燈及直徑4″的垂直立管結(jié)構(gòu)，P/A＝P/[π*直徑*直徑/4]～3000/[3.14*10*10/4]～38瓦/厘米^2。
對(duì)于氙燈及6″直徑立管，P/A～20000/[3.14*15*15/4]～113瓦/厘米^2
表1

令人驚奇且值得注意的是，這些駐留時(shí)間與現(xiàn)有技術(shù)中所知或所設(shè)置的及通常接受及使用的要短得多。如果燈功率降低到10％，并增大流槽直徑2倍，則表2的結(jié)果成立(見下表)。
對(duì)于300W汞燈及直徑6英寸的立管，P/A＝P/[π*直徑*直徑/4]～300/[3.14*15*15/4]～1瓦/厘米^2，同樣對(duì)于氙燈及直徑12英寸立管，P/A～2000/[3.14*30*30/4]～2.8瓦/厘米^2表2

注意到如果輻照度按40左右的系數(shù)降低，則駐留時(shí)間可高達(dá)約1秒鐘，例如將燈的功率降低到10％，將流槽直徑分別增大2倍到8″和12″。采用低功率燈要用很大流槽，因此要用許多這各燈來(lái)處理每天大量的水，其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性較成問題。
對(duì)高功率密度處理流槽，駐留時(shí)間比上述6秒至10左右的駐留時(shí)間要短得多。為了使駐留時(shí)間達(dá)到約6秒至10秒之間，燈功率必須小于選定或預(yù)定的千瓦級(jí)的10％，流槽直徑必須相應(yīng)更大，如直徑達(dá)到3倍大。這些數(shù)字與短/緊湊的弧光燈圓柱形立管的幾何尺寸不太一致，因而，依據(jù)本發(fā)明所述的系統(tǒng)的可能及可行結(jié)構(gòu)的范圍很靈活，可適應(yīng)各種燈及功率。
有關(guān)弧光燈光譜方面考慮的主要因素是紫外線輸出占消毒波長(zhǎng)段的大概百分比，即約200納米至300納米之間UVB及UVC所占比例。本發(fā)明范圍內(nèi)所預(yù)期的紫外線光源，表明消毒效果的峰值點(diǎn)出現(xiàn)在265納米左右。此外，具有消毒效果的紫外線在短波長(zhǎng)一側(cè)逐漸降低，在長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)迅速降低。
值得注意的是，低壓汞(Hg)弧光燈由于在254納米左右的共振輻射，UVB及UVC能帶上輻射效率較高。特別有利的是，這很接近液體消毒的最佳UVC波長(zhǎng)。一般而言，低壓管形殺菌燈發(fā)出的總輻射率約為20至35％，視具體設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)而定(其余功率消耗在加熱電極和燈管上)，其中80至90％為254納米左右的波長(zhǎng)。因而，UVC效能約為20至30％。另一個(gè)主要線位于365納米，不在消毒范圍之內(nèi)。某些燈泡設(shè)計(jì)中，365納米線占主要地位，因而消毒效果大打折扣。
低壓狀態(tài)下，形成電弧的等離子體處于“熾熱狀態(tài)”，其特征在于電子的溫度高，而離子和惰性氣體的溫度較低(通常Te～10000K，Ti～Tg～500K)。在這種狀態(tài)下，等離子體具有光學(xué)透明性，少量、非常窄的發(fā)射“線”成為光譜的特征。此時(shí)，比輻射率很低，小于0.1。
隨著等離子體溫度和密度增大(需要較強(qiáng)的電流)，電弧溫度增高。等離子體變得光學(xué)不透明，電子、離子和惰性氣體溫度變得不相上下。光譜變?yōu)橐院隗w連續(xù)譜為特征，上面疊加了幾條線。量子物理學(xué)的一條法則是這些線的峰值必定位于該溫度的黑體曲線下方，所以黑體曲線可與線的峰值保持一致，以導(dǎo)出有效電弧溫度，但大多數(shù)發(fā)射均來(lái)自線下面的連續(xù)譜。
作為實(shí)例，可考慮高壓氬燈，市場(chǎng)上有售的Vortek燈。這種燈是高壓氬弧燈，在很高的荷載(Pin/L)下工作。具體地說，可考慮100kW的燈。長(zhǎng)度為20厘米，所以荷載為5千瓦/厘米。輻射的輸出已知為40千瓦、2千瓦/厘米，所以效率為40％(其它Vortek燈輻射效率可達(dá)到或超過50％)。光譜上顯示在800納米處有一個(gè)峰值，與維恩定律(2898K/Wmax(um))＝T(K))導(dǎo)出的～3600K(引用數(shù)字為3800的電弧)溫度相對(duì)應(yīng)。計(jì)算直徑為1.1厘米在3800K時(shí)的電弧黑體發(fā)射，結(jié)果為1.8千瓦/厘米，比輻射率0.4。
Vortek 100kW燈的UVB和UVC發(fā)射，從200納米至300納米幾乎成線性上升。因而，UVB和UVC能效約為5％，UVB和UVC發(fā)射約為5千瓦。值得注意的是，這已接近更高溫度(6500K)的黑體極限。低比輻射率出現(xiàn)在可見光和NIR光譜。另外，燈發(fā)射約5％的200至300納米的UVB和UVC、10％的300至400納米UVA、30％的400至700納米可見光及50％的700至1400納米NIR。但結(jié)果受電弧溫度影響，此處所述結(jié)果對(duì)應(yīng)于較低的電弧溫度。隨著電弧溫度增高，UVB和UVC量急劇增大，例如，如果電弧溫度增大到8600K，UVB及UVC能效增大到20％，與殺菌燈不相上下。
值得注意的是，這些燈中的紫外線含量與Vortek燈相比要高得多。Vortek估計(jì)值是T～3800K及約1.5％的UVB及UVC，而圖1b的燈為T～8000K約9％的UVB及UVC。假定總效率為50％，則結(jié)果為5％的UVB及UVC效率。
以下分析涉及一種高壓氙(Xe)燈。對(duì)于20kW氙短弧光燈來(lái)說，峰值黑體發(fā)射約為660納米，對(duì)應(yīng)于4500K的溫度。光譜是準(zhǔn)黑體，估計(jì)比輻射率約在60～80％之間。這種燈的UVB及UVC發(fā)射量約占總發(fā)射量的3％，但用玻璃截?cái)嘣?40納米左右時(shí)，比輻射率會(huì)更高些，約為6％。因?yàn)榭偘l(fā)射效率為70％，相應(yīng)的UVB及UVC介于約2～4％之間。
以下分析與高壓汞(Hg)燈有關(guān)，其中短弧燈為較低壓，其特征為線狀光譜。高壓汞燈的代表性光譜特別包括約254納米處的一條突出線，正好在已確定的UVB及UVC消毒范圍內(nèi)。大部分紫外線處于300至400納米的UVA范圍，依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)所述，均為無(wú)用波長(zhǎng)，但令人驚奇的是，這種高壓燈用于依據(jù)本發(fā)明所述的優(yōu)選具體實(shí)施例中時(shí)非常有效。但與上述燈相比，該光譜更難量化，表觀溫度約為8000K，比輻射率約為0.1。一般而言，高壓燈與低壓殺菌燈相比有較低的UVB及UVC能效，但由于額定功率較高，故總UVB及UVC發(fā)射量會(huì)大得多。
此外，市場(chǎng)上銷售的一種由Fusion Systems制造的長(zhǎng)圓柱形高功率燈(HPL)，用射頻(RF)電源帶動(dòng)(而不是其余大多數(shù)燈使用的直流電源)，這種燈用于依據(jù)本發(fā)明所述的紫外線液體消毒系統(tǒng)和方法中也十分有效。這種高壓燈(HPL)放電不用電極，燈的壽命也較好，約為5000小時(shí)。這種管形燈與依據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例中軸流系統(tǒng)及改型結(jié)構(gòu)，或者說平面垂直立管(PVR)系統(tǒng)最為符合。緊湊/短的弧光燈(CSL)及圓柱形垂直立管(CVR)的參數(shù)與本文所述的計(jì)算和實(shí)例相符。
控制這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本物理參數(shù)有單位長(zhǎng)度燈功率P/L；所需的劑量D＝能量/體積，以及流速及駐留時(shí)間。鑒于駐留時(shí)間為T＝1到100秒左右，水體穿透力約為10厘米，則駐留約10秒時(shí)，流速約為1厘米/秒。駐留時(shí)間取決于紊流混合的效果、出水特性及污染類型。
LPL(低壓燈)、MPL(中壓燈)、HPL(高壓燈)及UHPL(超高壓燈)一般具有以下特性管形燈特性燈類型 功率長(zhǎng)度 功率/長(zhǎng)度LPL＜300W ～50cm ＜3W/cmMPL300至3000W ～100cm3至30W/cmHPL2000至6000W ～25cm 240W/cmUHPL 50kW至1000kW～40cm 1至3kW/cm這些計(jì)算中采用了額定值，要注意燈的功率/長(zhǎng)度可通過壓力、電流(輸入功率)等進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于功率/長(zhǎng)度(P/L)相差很大，這些燈適用于各種不同的幾何尺寸中，且均屬于依據(jù)本發(fā)明所構(gòu)造、所述及闡明的各種具體實(shí)施例的范疇和構(gòu)思。
取燈的長(zhǎng)度介于約25厘米至100厘米之間，這是實(shí)際會(huì)應(yīng)用的尺寸，(注意，管形燈的最小長(zhǎng)度約為15厘米，最大長(zhǎng)度約為150厘米)。此外，由于燈弧直徑約在3厘米至6厘米的范圍內(nèi)，流槽的寬度要大于或等于該尺寸。寬度過小則要求燈的橫向圖像縮小量不切實(shí)際，縱軸方向的縮小可能也不切實(shí)際。因而，實(shí)際流槽的截面積至少約為幾百個(gè)平方厘米，相應(yīng)的寬度至少約為10厘米以上。因此，假設(shè)上限至流槽寬度，約為幾米。
消毒劑量，D＝能量/體積＝E/V，變化范圍約在50至500焦耳/升之間。三個(gè)參數(shù)T、P/L及D按下式控制著可能和/或?qū)嶋H的水流幾何參數(shù)(P/L)/w/d＝E/V/T＝D/T
與之相應(yīng)，流道寬度[w]用下式確定w＝(P/L)*T/(D*d)＝(P/L)*T/(D*d)w＝[P/L(瓦/厘米)*T(秒)]/[D(焦耳/升)*d(厘米)]*[1000厘米^3/升]照射的體積中水駐留時(shí)間為10秒(流速～1厘米/秒)時(shí)的分析如下。
對(duì)所選的四種燈及所選的四種水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果約為表3水駐留10秒時(shí)各種燈對(duì)應(yīng)的流槽寬度(cm)

對(duì)于低壓燈(LPL)，流槽寬度是合理的，除非為最高劑量水。只要水純凈度合理，采用合理的流槽寬度時(shí)，單只低壓燈即可用于水處理。已經(jīng)使用的低壓燈系統(tǒng)，劑量總是小于100焦耳/升，所以除非用許多這種燈，這些燈應(yīng)適用于小型流槽和較低體積流量。采用低壓燈獲得較高P/L用于較高劑量水的一種方法是每個(gè)流槽使用更多的燈。采用若干燈以半星形形式布置，可實(shí)現(xiàn)用這些低壓燈處理大型流槽中的更多的水。處理較大劑量水時(shí)使用低壓燈的另一種方法是降低流速(增大駐留時(shí)間，見表3)。
對(duì)于中壓燈來(lái)說，流槽寬度可更大，從而可采用更高的體積流量。例如，采用20瓦/厘米燈的200焦耳/升的系統(tǒng)，可配備一只2千瓦的燈，流槽長(zhǎng)度及寬度為100厘米。中壓燈駐留時(shí)間為10秒時(shí)，似乎適用于大多數(shù)類型的水，除了對(duì)于最低劑量的水來(lái)說，流槽有些過大。這種情況下，流速可增大(減小駐留時(shí)間，見表5)。
高壓燈(聚變燈)處理駐留時(shí)間為10秒的系統(tǒng)時(shí)，功率綽綽有余，更適于采用較短的駐留時(shí)間處理(見表5)。超高壓燈不適于駐留時(shí)間為10秒的平面垂直立管型設(shè)計(jì)，更適于自由流動(dòng)的結(jié)構(gòu)，或采用更短的駐留時(shí)間。因而，在某些限制條件內(nèi)，低壓燈和中壓燈都可用于駐留時(shí)間為10秒的平面垂直立管系統(tǒng)——依據(jù)本發(fā)明所述的優(yōu)選具體實(shí)施例。
如果駐留時(shí)間減少到1秒左右，則截面積可按因子10減小，而流速則按相同系數(shù)相應(yīng)增大。表4(下表)所示為駐留時(shí)間為1秒時(shí)(流速～10厘米/秒)的計(jì)算結(jié)果表4水駐留1秒時(shí)各種燈對(duì)應(yīng)的流槽寬度(cm)

低壓燈的流槽寬度太小，中壓燈用于最高劑量水時(shí)也是一樣。中壓燈系統(tǒng)對(duì)于較低劑量的水特別有效，對(duì)于較高劑量的水則要使用若干個(gè)中功率燈并采用稍寬的流槽。除最低劑量水駐留時(shí)間需要進(jìn)一步降低之外，高壓燈目前與流道尺寸配合良好。超高壓燈適用于大型流槽，條件是駐留時(shí)間相應(yīng)縮短。對(duì)于最高劑量的水，流槽采用圖2所示垂直立管系統(tǒng)所采用的實(shí)際尺寸，條件是讓光線充分分散，且可采用不足一秒的駐留時(shí)間，如在界面板及相應(yīng)的紫外線劑量區(qū)。
作為另外說明，可考慮表5所示更長(zhǎng)駐留時(shí)間的水處理流槽尺寸。
表5水駐留100秒時(shí)各種燈對(duì)應(yīng)的流槽寬度(cm)

駐留時(shí)間為100秒時(shí)，盡管還在起作用，但所有高功率型燈的流槽寬度均不一定是最實(shí)用的設(shè)計(jì)選擇。
隨著駐留時(shí)間改變，依據(jù)本發(fā)明所述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性，使各種管形燈在采用合理的流槽載面情況下，可用于處理不同類型、具有各種特性的水或液體。超高壓燈可處理所有四種水(介于約50焦耳/升至500焦耳/升)，駐留時(shí)間可小于1秒，與已知液體處理系統(tǒng)相適應(yīng)。高壓燈可處理駐留時(shí)間在1秒左右的水。中壓燈可用1秒至10秒左右的駐留時(shí)間進(jìn)行水處理，水需要的劑量越高，駐留時(shí)間越長(zhǎng)，水需要的劑量越低則駐留時(shí)間越短。另外，低壓燈可用10秒左右的駐留時(shí)間處理需要較低劑量的水，用100秒的駐留時(shí)間處理需要較高劑量的水。殺菌燈系統(tǒng)可用于較長(zhǎng)的駐留時(shí)間，其中流槽截面變小，需要不同的光縮倍。
以下章節(jié)將闡明特定水處理應(yīng)用選定的具體設(shè)計(jì)實(shí)例。
設(shè)計(jì)實(shí)例本節(jié)概括介紹幾種設(shè)計(jì)實(shí)例，不一定是最優(yōu)化的，但能夠說明紫外線消毒系統(tǒng)和方法的作用，其中液體為水。這些設(shè)計(jì)實(shí)例包括實(shí)驗(yàn)室污水凈化裝置家庭污水凈化裝置住宅建筑群污水凈化裝置城鎮(zhèn)污水凈化裝置城市污水凈化裝置大城市污水凈化裝置特大城市污水凈化裝置實(shí)驗(yàn)室污水凈化裝置(小型汞燈)汞燈功率＜150瓦、每天～30,000加侖(gpd)。流槽長(zhǎng)約100厘米，直徑約10厘米。
此具體實(shí)施例的目標(biāo)是生產(chǎn)生物消毒的水，排入城市下水系統(tǒng)。液體由混濁稀釋系統(tǒng)稀釋到可以接受的標(biāo)準(zhǔn)。水消毒所需的紫外線劑量較低，在100焦耳/升以下。一個(gè)小型流槽采用一個(gè)緊湊的弧光汞燈，流槽直徑約為10厘米，長(zhǎng)約100厘米，最大功率為幾百瓦。水駐留時(shí)間約為一秒。
家庭污水凈化裝置(1只汞燈)汞燈功率小于約150瓦，排放量約3000gpd。流槽長(zhǎng)約100厘米，直徑約10厘米。這種情況下，假設(shè)提供的污水是經(jīng)事先處理的污水。特別適合有獨(dú)立水處理設(shè)施、向當(dāng)?shù)丨h(huán)境(如沿海地區(qū)、偏遠(yuǎn)地方或旅游勝地等類似地方)排放的家庭使用。假設(shè)至少需要約100焦耳/升，但小于500焦耳/升對(duì)于這種系統(tǒng)就足夠了。水駐留時(shí)間約為100秒。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為需要時(shí)才開動(dòng)，能夠用小型緊湊的弧光燈凈化一個(gè)大家庭所排放的污水，采用的結(jié)構(gòu)的功能與圖5所示結(jié)構(gòu)類似。由于僅用一只燈，因而需要監(jiān)控或控制系統(tǒng)，當(dāng)需要換燈時(shí)或系統(tǒng)需要其它維修時(shí)，能發(fā)出指示。
由于水的需求量較低，流槽水的流量相對(duì)較高，可增加駐留時(shí)間，其中燈部分時(shí)間工作或間歇性工作，控制方法可采用傳感控制或用定時(shí)器控制。這種間歇型系統(tǒng)布置有利地延長(zhǎng)了燈的壽命，因而更換時(shí)間更長(zhǎng)或者說燈的壽命周期更長(zhǎng)。由于開關(guān)燈會(huì)降低燈的壽命，系統(tǒng)可制造和配置成重新啟動(dòng)燈之前蓄水池充分排空(例如，采用污水蓄水池或蓄水箱時(shí)，燈的活動(dòng)可根據(jù)水箱水量和水位進(jìn)行控制、預(yù)定程序或用其它方法進(jìn)行調(diào)節(jié))。燈的布置、配置及編程為間歇運(yùn)行，如每天一小時(shí)等等，具體視蓄水池大小及使用該系統(tǒng)的人數(shù)而定(以每天排放的或使用的加侖數(shù)計(jì)量)。這樣，視系統(tǒng)的具體特性和技術(shù)規(guī)格，包括水的特性而定，一個(gè)月的燈連續(xù)運(yùn)行壽命可延長(zhǎng)至或許一年。
住宅建筑群污水凈化裝置(多汞燈)汞燈功率約為3千瓦，排放量約30,000gpd。六(6)只約500瓦的燈，流槽長(zhǎng)約100厘米，直徑約20厘米。這種設(shè)計(jì)除要使用多個(gè)燈以滿足增加的出水量和使用率，以及要在燈出現(xiàn)故障時(shí)保障運(yùn)行之外，與上述家庭水凈化裝置類似。在這種具體實(shí)施例中，燈的制造和控制要能夠全天候運(yùn)行，并要定期更換維修，如每周或每月更換一次。如果一只燈出現(xiàn)故障，水流管道通過燈狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)予以關(guān)閉。與本實(shí)例典型結(jié)構(gòu)相應(yīng)的近似駐留時(shí)間約為一分鐘。
城鎮(zhèn)污水凈化裝置(大量汞燈)汞燈功率約為12千瓦，其中包括約12只1千瓦的燈，排放量約300,000gpd。這種系統(tǒng)包括少量與上述住宅建筑群處理裝置類似的裝置，或更少量的較大型裝置。這種系統(tǒng)能夠凈化幾千人的小城鎮(zhèn)排放的水，采用幾十只小型汞燈或幾只功率較高的燈，具體視系統(tǒng)特性與技術(shù)規(guī)格而定。
城市污水凈化裝置(100只汞燈或更少量的氙燈)汞燈功率約為1兆瓦，或氙燈功率約為1兆瓦，排放量約10Mgpd(兆加侖/日)。此實(shí)例可用300只每只3千瓦的燈有效地實(shí)現(xiàn)，每個(gè)流槽約100厘米長(zhǎng)。有兩種方法實(shí)現(xiàn)本實(shí)例的紫外線消毒系統(tǒng)(1)增加前述實(shí)例的汞燈數(shù)量(要采用100只C/S高壓弧光燈)，或(2)采用少于約三分之一數(shù)量的氙燈。由于氙燈產(chǎn)生UVB及UVC的效率較高，會(huì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)的建造與保養(yǎng)工作。
大型城市污水凈化裝置(上千只汞燈或幾百只氙燈)中壓燈功率約為3兆瓦，排放量約30Mgpd。此實(shí)例僅為上一個(gè)水處理系統(tǒng)的放大。顯然，隨著規(guī)模增大，超高壓燈的優(yōu)勢(shì)愈加顯著。
特大城市污水凈化裝置(幾千只汞燈)中壓燈功率約為10兆瓦，排放量約100Mgpd以上。繼續(xù)放大至處理能力與一百萬(wàn)人口相適應(yīng)。這種系統(tǒng)可與現(xiàn)有技術(shù)較大型TrojanTech系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用相比較，不同之處在于本發(fā)明有利地采用了少得多的功率更高的緊湊/短的弧光燈，且采用了非浸沒式結(jié)構(gòu)，因而能更為有效地產(chǎn)生紫外線劑量，減少了維護(hù)保養(yǎng)工作量，提高了整套系統(tǒng)的效率及能效。
對(duì)于圓柱形流槽結(jié)構(gòu)及采用依據(jù)本發(fā)明所述的水凈化系統(tǒng)應(yīng)用的具體規(guī)模方面考慮的問題，以下通過估計(jì)和說明本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)之間的區(qū)別與差異，展示了幾種情形；這些數(shù)字的目的并不在于自我限制實(shí)際應(yīng)用精確性，而是用于加深對(duì)本發(fā)明及其優(yōu)選具體實(shí)施例的理解。
對(duì)于實(shí)驗(yàn)室污水凈化裝置用途1只C/S高壓汞燈。實(shí)際設(shè)計(jì)是用一只小于300瓦的高壓緊湊/短的弧光燈或幾只更小的燈(緊湊/短的弧光高壓燈)實(shí)現(xiàn)的。流槽長(zhǎng)約100厘米，直徑小于約2.5厘米，駐留時(shí)間介于約16秒至約33秒之間。對(duì)于家庭污水凈化裝置1只緊湊/短的高壓汞燈。以一只小于300瓦的緊湊/短的高壓弧光燈為基礎(chǔ)的家庭污水凈化裝置是可行的。適用長(zhǎng)約100厘米，寬約2.5厘米流槽。駐留時(shí)間約為小于167秒。對(duì)于住宅建筑群污水凈化裝置6只緊湊/短的高壓弧光燈；采用六只500瓦的緊湊/短的高壓弧光燈，能夠凈化一座公寓大廈或單元住宅建筑群的污水。流槽尺寸與家庭污水凈化裝置相同，但采用多只燈及垂直立管結(jié)構(gòu)增大了流體體積，使系統(tǒng)的處理能力更強(qiáng)。對(duì)于城鎮(zhèn)污水凈化裝置約需要十幾只中壓燈及流槽，以確保在合理的流量下進(jìn)行消毒。在這種情況和規(guī)模下，用六只2千瓦緊湊/短的高壓弧光燈或更多數(shù)量的較小的燈構(gòu)造的系統(tǒng)即可滿足需要。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)城市污水凈化裝置依據(jù)本發(fā)明所述的系統(tǒng)和方法需要使用幾百只緊湊/短的高壓弧光燈或更少數(shù)量的氙燈。用一百只緊湊/短的高壓弧光燈或更少數(shù)量的氙燈為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，能夠通過紫外線劑量及照射，實(shí)現(xiàn)卓有成效的液體消毒。對(duì)于大型城市污水凈化裝置約需1000只緊湊/短的高壓燈(汞)。以幾千只中壓燈或幾十只超高壓燈為基礎(chǔ)的系統(tǒng)也十分有效。對(duì)于特大城市污水凈化裝置需要幾千只緊湊/短的高壓弧光燈。更為重要的是，由于這種規(guī)模的應(yīng)用中需要幾千只緊湊/短的高壓弧光燈，使用功率更高的燈的優(yōu)勢(shì)更為明顯，采用依據(jù)本發(fā)明所述的紫外線液體消毒系統(tǒng)和方法的結(jié)構(gòu)時(shí)特別有效。
采用緊湊/短的弧光高壓燈及圓柱形垂直立管建立了比使用中壓燈和平面垂直立管更為復(fù)雜的系統(tǒng)，因?yàn)橛捎赨VB及UVC能效較低而需要更多的燈功率，以及立管幾何形狀較復(fù)雜。然而，某種程度上取決于不確定的UVB及UVC能效，采用功率較高的氙燈會(huì)減少所需的燈數(shù)，具體視液體特性及所需的流量而定。因而，依據(jù)本發(fā)明所述的紫外線消毒系統(tǒng)可對(duì)液體進(jìn)行卓有成效的處理，特別是對(duì)污水處理及其它工業(yè)用水進(jìn)行處理。
如果污水在曝露于本發(fā)明的紫外線劑量區(qū)之前混濁度較高，本發(fā)明要求對(duì)污水進(jìn)行一些預(yù)處理。可采取包括但不限定于過濾、稀釋、反滲透及化學(xué)處理等降低濁度的傳統(tǒng)措施，有利地提高依據(jù)本發(fā)明所述的系統(tǒng)的紫外線能效。但優(yōu)選實(shí)施例的某些特征與現(xiàn)有技術(shù)相比，更容易處理高混濁度的液體。
界面板可引起紊流或造成液體沿非平面表面、階梯表面、下滑表面等瀉流。液體混濁時(shí)，誘導(dǎo)紊流是特別有利的?；鞚?，即沉淀物被攪起而使水變混濁的這種狀態(tài)，會(huì)影響紫外線能量的傳輸，降低紫外線消毒系統(tǒng)的消毒功效。因而，紊流通過誘使顆粒旋轉(zhuǎn)，使顆粒的所有方面均受到紫外線照射。另外，系統(tǒng)的光催化特性通過降解化合物或?qū)е禄鞚岬念w粒，從而降低液體的濁度。此外，在混濁狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)表面中的反射面會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)的能效，因?yàn)樽贤饩€可借助顆粒的旋轉(zhuǎn)作用，照射到顆粒的各個(gè)表面，從而克服顆粒的不透明性問題。增強(qiáng)混濁狀態(tài)下系統(tǒng)性能的另一個(gè)特征是系統(tǒng)的高強(qiáng)度紫外線。高強(qiáng)度紫外線與低強(qiáng)度系統(tǒng)相比，可更輕松地補(bǔ)償混濁中的波動(dòng)。因而，優(yōu)選實(shí)施例具有幾項(xiàng)增強(qiáng)混濁狀態(tài)下系統(tǒng)性能的特性。
如果水中鐵或錳含量較高、混濁以及/或含有有機(jī)雜質(zhì)，一般需要在水進(jìn)入紫外線消毒階段段之前進(jìn)行預(yù)處理，因?yàn)榻]于待處理水中的石英殼浸沒式紫外線燈上的沉淀物，會(huì)影響紫外線的傳輸，從而降低紫外線劑量并致使系統(tǒng)失效。現(xiàn)有技術(shù)通常在采用紫外線凈化的同時(shí)，采用炭過濾、反滲透及某些化學(xué)藥品來(lái)減少紫外線燈周圍的石英殼之間的污垢。因而，優(yōu)選實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，降低濁度不是系統(tǒng)充分發(fā)揮性能所必需的，系統(tǒng)從而消除了為降低濁度對(duì)液體進(jìn)行費(fèi)用昂貴的預(yù)處理的需要。
內(nèi)表面反射作用對(duì)系統(tǒng)能效的積極影響，可通過在蓄水池內(nèi)采用紫外線反射性材料及增強(qiáng)反射型設(shè)計(jì)來(lái)加以利用。同樣是這些表面還可制造成含有光催化劑，如前文教導(dǎo)的用于界面板的那樣。而且在蓄水池或VRC系統(tǒng)中可增加載有光催化劑的附加表面。這樣，采用紫外線反射性材料、紫外線反射型設(shè)計(jì)、光催化劑及附加光催化表面的一體化設(shè)計(jì)，會(huì)大大增強(qiáng)系統(tǒng)的能效。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說，可在上述說明的基礎(chǔ)上進(jìn)行某些修改和改進(jìn)。按實(shí)例的方法，視具體的紫外線光源或已知系統(tǒng)所采用的燈，可采用各種光學(xué)元件。此外，若干紫外線光源系統(tǒng)，可采用平面水平結(jié)構(gòu)也可采用改型結(jié)構(gòu)及/或圓柱形垂直立管結(jié)構(gòu)，進(jìn)行串聯(lián)組合或布置，提高能夠進(jìn)行液體有效消毒的液體流速。此外，許多液體應(yīng)用均在本發(fā)明預(yù)想的范圍之內(nèi)，包括將紫外線液體消毒系統(tǒng)和方法用于污水，商業(yè)及工業(yè)污水、農(nóng)業(yè)泥水及其它廢物或污水、生物醫(yī)學(xué)及體液、液體污染物進(jìn)水及出水等等，均為本發(fā)明預(yù)想的應(yīng)用，而實(shí)質(zhì)上不偏離本說明書所含具體實(shí)施例及闡述的范圍。另外，對(duì)包括非平面表面在內(nèi)的表面進(jìn)行微生物紫外線消毒的表面處理，亦完全屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。為做到言簡(jiǎn)意賅，本文刪簡(jiǎn)了所有修改及改進(jìn)方面的內(nèi)容，但所有修改及改進(jìn)均完全屬于以下權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于處理含廢物液體的紫外線消毒(UV)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)位于燈殼內(nèi)并與電源連接、從燈殼內(nèi)產(chǎn)生紫外線輸出的光源，所述系統(tǒng)包含至少一個(gè)位于至少一個(gè)光源與燈殼射出的紫外線輸出之間的光學(xué)元件，由此產(chǎn)生一個(gè)聚焦的、可控制的紫外線輸出，其中至少有一個(gè)紫外線劑量區(qū)可對(duì)液體內(nèi)的微生物進(jìn)行有效殺滅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源為燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源為紫外線燈。
4.依據(jù)權(quán)利要求3所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源為光譜校準(zhǔn)燈。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源為無(wú)電極燈。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源為汞鹵化物燈。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源為光泵裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源發(fā)出的輸出通過纖維光學(xué)傳輸線路傳播。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述纖維光學(xué)傳輸線路的第一端與燈殼輸出連接，使來(lái)自燈殼的紫外線輸出通過纖維光學(xué)傳輸線路從第二端射出，使射出纖維光學(xué)傳輸線路的紫外線輸出投射入水中。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述纖維光學(xué)線路包含丙稀酸纖維。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述纖維光學(xué)線路包含玻璃纖維。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述纖維光學(xué)線路包含液芯纖維。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述纖維光學(xué)線路包含空心芯纖維。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述纖維光學(xué)線路包含芯-護(hù)套纖維。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紫外線系統(tǒng)，其中至少一個(gè)含液體裝置通過纖維光學(xué)傳輸線路與光泵裝置連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括無(wú)臟污燈殼，從而避免了為保證液體紫外線消毒的一致性而采取的清理工作。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述燈殼附著在蓄水池上，紫外線輸出對(duì)蓄水池內(nèi)所含基本不流動(dòng)的蓄水進(jìn)行消毒。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)采用了非垂直立管結(jié)構(gòu)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述燈殼附著在其內(nèi)含有流水的蓄水池上。
20.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紫外線系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含垂直立管結(jié)構(gòu)(VRC)，其中所述水以預(yù)定的速度向紫外線輸出流動(dòng)，從而隨著水接近光輸出，在水里產(chǎn)生不斷增大的紫外線劑量。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述界面區(qū)進(jìn)一步包含至少一種添加劑，其隨著液體流經(jīng)界面區(qū)并流過表面區(qū)，影響液體的特性。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一種添加劑選自TiO2、WO2、ZnO、ZnS、SnO2及PtTiO2等。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述垂直立管結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為便攜式系統(tǒng)。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述垂直立管結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可根據(jù)具體應(yīng)用情況進(jìn)行縮放。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)具有可移動(dòng)適應(yīng)性，能夠與將水輸送至最終用戶輸出的管路系統(tǒng)連接，從而能夠在多個(gè)最終用戶輸出處相應(yīng)布置多套系統(tǒng)，以同時(shí)在多處提供消毒的凈化水。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)光學(xué)元件選自反射器、快門、透鏡、分光鏡、調(diào)焦器、反光鏡、剛性或柔性光導(dǎo)、均化器、混合棒、歧管及其它聯(lián)接器、濾光鏡、格柵、衍射器、色輪及纖維光學(xué)傳輸線路。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中至少一個(gè)光學(xué)元件為軸外光學(xué)元件。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中至少一個(gè)光學(xué)元件為梯度光學(xué)元件。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中至少一個(gè)光學(xué)元件為紫外線的透射元件。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中至少一個(gè)光學(xué)元件為紫外線的反射元件。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)光學(xué)元件包含纖維光學(xué)傳輸線路，其中線路第一端與燈殼輸出連接，使來(lái)自燈殼的紫外線輸出通過纖維光學(xué)傳輸線路從第二端射出，使射出纖維光學(xué)傳輸線路的紫外線輸出投射入水中。
32.根據(jù)權(quán)利要求26所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)光學(xué)元件為把來(lái)自光源的光線通過燈殼上的輸出點(diǎn)聚焦并射入水中進(jìn)行消毒的透鏡。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述透鏡為拋物面透鏡。
34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線劑量區(qū)包含水-空氣界面劑量區(qū)和變化的液內(nèi)劑量區(qū)。
35.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源位于待處理水的外部，從而對(duì)水里的微生物進(jìn)行有效殺滅。
36.一種用于處理含廢物液體的紫外線消毒(UV)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)位于待處理液體外部和燈殼內(nèi)部并與電源連接、從燈殼內(nèi)產(chǎn)生紫外線輸出的光源，所述系統(tǒng)包含至少一個(gè)位于至少一個(gè)光源與燈殼射出的紫外線輸出之間的光學(xué)元件，由此產(chǎn)生一個(gè)聚焦的、可控制的紫外線輸出，其中至少有一個(gè)紫外線劑量區(qū)可對(duì)液體內(nèi)的微生物進(jìn)行有效殺滅。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源為單只紫外線燈。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源為光譜校準(zhǔn)燈。
39.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源為無(wú)電極燈。
40.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源為汞鹵化物燈。
41.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源為光泵裝置。
42.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源為脈沖燈裝置。
43.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括無(wú)臟污燈殼，從而避免了為保證液體紫外線消毒的一致性而采取的清理工作。
44.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述燈殼附著在蓄水池上，紫外線輸出對(duì)蓄水池內(nèi)所含基本不流動(dòng)的蓄水進(jìn)行消毒。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)采用了非垂直立管結(jié)構(gòu)。
46.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述燈殼附著在其內(nèi)含有流水的蓄水池上。
47.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含垂直立管結(jié)構(gòu)(VRC)，其中所述水以預(yù)定的速度向紫外線輸出流動(dòng)，從而隨著水接近光輸出，在水里產(chǎn)生不斷增大的紫外線劑量。
48.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述界面區(qū)進(jìn)一步包含至少一種添加劑，其隨著液體流經(jīng)界面區(qū)并流過表面區(qū)，影響液體的特性。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一種添加劑選自TiO2、WO2、ZnO、ZnS、SnO2及PtTiO2等。
50.根據(jù)權(quán)利要求47所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述垂直立管結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可根據(jù)具體應(yīng)用情況進(jìn)行縮放。
51.根據(jù)權(quán)利要求46所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)具有可移動(dòng)適應(yīng)性，能夠與將水輸送至最終用戶輸出的管路系統(tǒng)連接，從而能夠在多個(gè)最終用戶輸出處相應(yīng)布置多套系統(tǒng)，以同時(shí)在多處提供消毒的凈化水。
52.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)光學(xué)元件選自反射器、快門、透鏡、分光鏡、調(diào)焦器、反光鏡、剛性或柔性光導(dǎo)、均化器、混合棒、歧管及其它聯(lián)接器、濾光鏡、格柵、衍射器、色輪及纖維光學(xué)傳輸線路。
53.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中至少一個(gè)光學(xué)元件為紫外線的透射元件。
54.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中至少一個(gè)光學(xué)元件為紫外線的反射元件。
55.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)光學(xué)元件包含纖維光學(xué)傳輸線路，其中線路第一端與燈殼輸出連接，使來(lái)自燈殼的紫外線輸出通過纖維光學(xué)傳輸線路從第二端射出，使射出纖維光學(xué)傳輸線路的紫外線輸出投射入水中。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述纖維光學(xué)線路包含丙稀酸纖維。
57.根據(jù)權(quán)利要求55所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述纖維光學(xué)線路包含玻璃纖維。
58.根據(jù)權(quán)利要求55所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述纖維光學(xué)線路包含液芯纖維。
59.根據(jù)權(quán)利要求55所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述纖維光學(xué)線路包含空心芯纖維。
60.根據(jù)權(quán)利要求55所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述纖維光學(xué)線路包含芯-護(hù)套纖維。
61.根據(jù)權(quán)利要求52所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)光學(xué)元件為把來(lái)自光源的光線通過燈殼上的輸出點(diǎn)聚焦并射入水中進(jìn)行消毒的透鏡。
62.根據(jù)權(quán)利要求61所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述透鏡為拋物面透鏡。
63.根據(jù)權(quán)利要求36所述的紫外線系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)紫外線劑量區(qū)包含水-空氣界面劑量區(qū)和變化的液內(nèi)劑量區(qū)。
64.一種凈化含廢物液體的方法，其中包括的步驟為在蓄水池中提供待處理的液體；用紫外線系統(tǒng)照射蓄水池及液體，其中所述紫外線系統(tǒng)包含至少一個(gè)位于燈殼內(nèi)并與電源連接、以從燈殼內(nèi)產(chǎn)生紫外線輸出的光源構(gòu)成，所述系統(tǒng)包含至少一個(gè)位于至少一個(gè)光源與燈殼射出的紫外線輸出之間的光學(xué)元件；產(chǎn)生一個(gè)聚焦的、可控制的紫外線輸出，其具有至少一個(gè)紫外線劑量區(qū)，可對(duì)水中的微生物進(jìn)行有效殺滅。
65.根據(jù)權(quán)利要求64所述的方法，其中所述系統(tǒng)包含非浸沒式光源。
66.一種對(duì)含廢物液體進(jìn)行紫外線消毒(UV)的方法，所述方法包括的步驟為提供一套紫外線消毒系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)與待處理液體外部至少一個(gè)透射紫外線的光學(xué)元件耦合的紫外線光源，及位于所述至少一個(gè)紫外線光源及待處理液體之間的界面區(qū)，其中所述至少一個(gè)紫外線光源設(shè)計(jì)、配置和連接以制備能夠在液體外部產(chǎn)生至少一個(gè)紫外線劑量區(qū)的紫外線光；在所述至少一個(gè)界面區(qū)存在表面區(qū)，其中所述表面區(qū)具有與之相關(guān)的紫外線劑量區(qū)，用于對(duì)待處理液體進(jìn)行消毒。將經(jīng)預(yù)處理的液體引入系統(tǒng)，液體流經(jīng)液體內(nèi)的至少一個(gè)紫外線劑量區(qū)并流經(jīng)至少一個(gè)界面區(qū)和表面區(qū)紫外線劑量區(qū)；通過在紫外線劑量區(qū)照射紫外線，對(duì)液體進(jìn)行消毒；將經(jīng)過消毒的液體配發(fā)到系統(tǒng)外部。
67.根據(jù)權(quán)利要求66所述的方法，其進(jìn)一步包括用水壓系統(tǒng)使水通過系統(tǒng)的垂直立管結(jié)構(gòu)的步驟。
68.根據(jù)權(quán)利要求66所述的方法，其進(jìn)一步包括通過在界面區(qū)上引起液體內(nèi)一種反應(yīng)的至少一種添加劑，改變液體特性的步驟。
69.根據(jù)權(quán)利要求66所述的方法，其進(jìn)一步包括隨著液體流經(jīng)系統(tǒng)而造成液體紊流，從而增強(qiáng)紫外線照射、消毒及催化化學(xué)反應(yīng)的步驟，
70.根據(jù)權(quán)利要求66所述的方法，其進(jìn)一步在界面區(qū)引入催化劑的步驟。
全文摘要
一種用于處理含廢物液體的紫外線(UV)消毒系統(tǒng)和方法，在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上至少有一個(gè)紫外線光源或燈起有效作用，其中紫外線光源或燈不浸沒在液體中。紫外線光源布置在待消毒液體的外部，通過待消毒液體外部的至少一個(gè)紫外線劑量區(qū)進(jìn)行照射，其中紫外線射入垂直立管結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)劑量區(qū)。至少一個(gè)界面板用于提供紫外線消毒表面區(qū)，以及提供平衡pH值、影響出水化學(xué)特性、降低有機(jī)化學(xué)藥品含量等附加處理措施。
文檔編號(hào)C02F1/00GK1487842SQ01822212
公開日2004年4月7日 申請(qǐng)日期2001年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月28日
發(fā)明者I·霍頓, I 霍頓 申請(qǐng)人:遠(yuǎn)光公司