專利名稱：使用紫外線凈化流體的方法及裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及凈化流體的方法及裝置。更具體地，本發(fā)明涉及使用可變脈沖調(diào)制的紫外線凈化流體、尤其是廢水的方法及裝置。
在本世紀(jì)，廉價的、可使用的水的可獲取程度已大大下降，水資源的緊張預(yù)期將隨著人口的增長及污染的加劇而急劇地增加。整個世界，工業(yè)界及政府正與日俱增地面臨著挑戰(zhàn)及將付出代價，以提供現(xiàn)代廢水處理設(shè)施來滿足公共的需要及制定提供清潔環(huán)境所需的嚴(yán)格法規(guī)。在全球，對經(jīng)濟(jì)、環(huán)境有利的工業(yè)廢水處理的需求正在快速地達(dá)到一個臨界點。
廢水(包括工業(yè)及市政民用廢水)經(jīng)常包含污物，如微生物及有毒的有機(jī)化合物，它們在水的后繼使用上被證明是有毒的。頻繁地在廢水中發(fā)現(xiàn)的微生物的例子包括細(xì)菌，孢子，酵母或霉菌，藻類等，也包括病毒或噬菌體。在廢水中發(fā)現(xiàn)的有毒有機(jī)化合物包括如致癌芳香族化合物及多數(shù)鹵族化合物，尤其是氯化合物，如氯化酚等。
已經(jīng)有許多用于廢水消毒的公知技術(shù)，包括使用化學(xué)或物理藥劑，機(jī)械裝置及紫外線。其中傳統(tǒng)的消毒方法是使用氯氣形式的化學(xué)劑。雖然在美國很多年以來使用氯氣消毒可大大地減少起源于水的疾病的發(fā)病率，但對氯氣安全及對環(huán)境影響關(guān)注的增長促使廢水處理事業(yè)單位對其它的消毒方法作出估價。
至今，最可行的能替代氯氣消毒的方式是紫外線(UV)消毒。
在紫外線的作用下通過光致離解可使有機(jī)毒素中的化學(xué)鍵破裂。具體的物質(zhì)將具有與其經(jīng)受光致離解的紫外線的能量及波長的確定相關(guān)的光致離解特性曲線。為了有效的光致離解，必需使紫外線具有落在有關(guān)物質(zhì)的光致離解特性曲線以內(nèi)的特定能量。
對于微生物，當(dāng)紫外線接觸到微生物的脫氧核糖酸(DNA)分子時就發(fā)生了消毒，該脫氧核糖酸包含細(xì)胞復(fù)制所需的遺傳學(xué)信息。該紫外光引起雙鍵形成在DNA結(jié)構(gòu)的相鄰子族之間，以阻止DNA分子的正常復(fù)制及由此使微生物失活。
也已公知了脈沖調(diào)制的紫外線閃光燈可產(chǎn)生大功率的輸出，它對于各種光致離解應(yīng)用是有效的，這些應(yīng)用包括流體的消毒及凈化。
使用紫外線消滅微生物和/或?qū)U水中的有機(jī)化合物產(chǎn)生光致離解作用已經(jīng)公開在很多文獻(xiàn)中，例如美國專利(號)4,661,264及4,816,145(均屬于Goudy，Jr.)；5,144,146(屬于Wekhof)；4,400,270及4,336,223(均屬于Hilman)；5,368,826(Weltz等)；4,464,336(Hiramonto)；5,230,792(Sauska等)；5,547,590(Szabo)；5,900,211(Dunn等)；1,670,217(Scheidt)；2,338,388(Whitman)；4,769,131(Noll等)；5,504,335(Maaschalkerweerd)；4,296,066及4,317,041(均屬于Schenck)；5,768,853(Bushnell等)；5,597,482(Melyon)；5,322,569(Titus等)；5,536,395(Kuennen等)；5,915,161(Adams)；5,208,46l(Tipton)；5,364,645(Lagunas-Solar等)；5,925,885(Clark等)；5,503,800(Free)；3,485,576(McRae等)；5,814,680(Wood)；3,637,342(Veloz)；3,924,139；4,103,167及4,767,932(均屬于Ellner)；4,204,956(Flatow)；4,471,225(Hilman)；4,621,195(Larrson)；4,676,896(Norton)；4,909,573(Wiesman)；5,626,768(Ressler等)；5,660,719(Kurtz等)；5,725,757(Binot)；5,738,780(Markham)；4,757,205(Latel等)；5,290,439(Buchwald)；5,925,240(Wilkins等)；4,880,512(Comelius等)；4,246,101(Selby,III)；5,151,252(Mass)；4,274,970(Beitzel)；4,230,571(Dadd)；4,304,996(Blades)；及5,480,562(Lemelson)。及參見Legan，R.W.，Ultraviolet Light Takes on CPI Role，Chemical Engineering，第95-100頁(1982年1月22日)。
另外相關(guān)的文章為Hanzon，B.D.及Vigilia，Rudy，Just theFactsUV Disinfection，Water Environment & TechnologyMagazine(1999年11月)，它被結(jié)合在這里作為參考。
在許多商業(yè)應(yīng)用中，極其需要對一個目標(biāo)提供紫外線，其方式是同時地產(chǎn)生極佳的處理功效，經(jīng)濟(jì)效益，及在所有時間對有所有需要的流體速率這樣處理的能力。過高的UV劑量可成為不可接受的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而不足的UV劑量將是危險的。
一種理想的基于UV的水消毒系統(tǒng)具有許多優(yōu)越的特性。
例如，理想的基于UV的水消毒系統(tǒng)可在任何時間而非在有些時候或多數(shù)時間(實時地)精確地施加所需UV劑量，而不管流體的UV傳輸率等級或流體壓力或流速的變化。
此外，理想的基于UV的水消毒系統(tǒng)還可確認(rèn)工作參數(shù)的完整性。例如，該系統(tǒng)對于UV燈的基本輸出等級及流體的UV傳輸率提供有效、實時的控制反饋。該系統(tǒng)還可對于UV光功率輸出及流體流速的調(diào)節(jié)提供動態(tài)的、寬范圍的及實時的響應(yīng)，來響應(yīng)這種反饋。
一個理想的UV消毒系統(tǒng)還具有對用于該系統(tǒng)中的一個或多個UV反應(yīng)器區(qū)域中的任何性能下降的自動補償?shù)淖赃m應(yīng)性，以使得該系統(tǒng)對這種性能降級可提供有效、實時的響應(yīng)并保證處理的完整性，例如不讓非確認(rèn)的流體通過。
已經(jīng)開發(fā)出各種UV消毒系統(tǒng)，以力圖對劑量參數(shù)提供改進(jìn)的控制。這些系統(tǒng)例如公開在美國專利(號)4,317,041；4,336,223；5,144,146；5,208,461；5,364,645；5,547,590；及5,925,885中。但是，這些傳統(tǒng)的系統(tǒng)一般不具有以上結(jié)合理想UV消毒系統(tǒng)討論的所有需要的特性。這些系統(tǒng)的缺點可被分成以下將討論的一個或多個部分。
例如，傳統(tǒng)的UV消毒系統(tǒng)的一個缺點是使用連續(xù)波的燈。大多數(shù)連續(xù)波的燈需要在工作前的加熱時間。此外，大多數(shù)連續(xù)波的燈受到頻繁“開-關(guān)”循環(huán)、外殼過分臟污的不良影響，而不能在整個功率輸出范圍上有效地工作。
傳統(tǒng)的UV消毒系統(tǒng)的另一個缺點是，使用布置成大機(jī)組并構(gòu)成單個反應(yīng)器的多個UV燈。由于構(gòu)成單個反應(yīng)器的多個UV燈的這種布置，各個燈中UV強(qiáng)度的寬廣且隨機(jī)的變化將會顯著地改變由該反應(yīng)器中各部分輸出的劑量。更重要地，每個燈基本輸出性能的精確監(jiān)測是不實際的，因為這將使每個燈需要一個單獨的檢測器。因此，這種反應(yīng)器的UV輸出(及由此其性能)僅可通過分立的測量點來估值，這些測量點除了該反應(yīng)器的一小部分外未必能代表其它部分。各個燈的性能是未知的。
傳統(tǒng)的UV消毒系統(tǒng)的另一個缺點是，使用了被動流量控制裝置(例如溢流口，閘門，閥等)及重力流。其結(jié)果是這些系統(tǒng)的實際工作范圍限制了其中使用的反應(yīng)器的可得到的流量范圍。液壓頭損耗很快支配了設(shè)計方程，由此限制了反應(yīng)器性能范圍。流量調(diào)節(jié)相對慢地執(zhí)行，及任一反應(yīng)器中流量的變化可不利地引起相鄰反應(yīng)器中流量的變化。
因為上述的缺點，傳統(tǒng)的消毒系統(tǒng)不是真正有效、實時或獨立的，而是依賴于監(jiān)測及調(diào)節(jié)性能參數(shù)的慢速、被動的技術(shù)。這些系統(tǒng)典型呈現(xiàn)出構(gòu)成工業(yè)容量系統(tǒng)的多個反應(yīng)器之間大的相互依賴性。精確的UV劑量是與優(yōu)化效率所需的參數(shù)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)能力一起的折衷。
水及廢水消毒工業(yè)對于系統(tǒng)高效率及低操作成本的需求愈來愈有必要超越傳統(tǒng)UV消毒系統(tǒng)。
因此，本發(fā)明的第一目的是提供一種與化學(xué)無關(guān)的凈化水的可靠且成本效果顯著的系統(tǒng)(即方法及裝置)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種基于UV的凈化系統(tǒng)，它具有在寬廣范圍上瞬間調(diào)節(jié)UV反應(yīng)器輸出功率的能力，由此可在需要時瞬間調(diào)節(jié)UV劑量。
本發(fā)明的另一目的是提供一種基于UV的凈化系統(tǒng)，它在每個UV反應(yīng)器中使用單個UV光源，由此使單個光源的性能一致且精確地代表整個反應(yīng)器的性能。
本發(fā)明的另一目的是提供一種基于UV的凈化系統(tǒng)，其中在每個UV反應(yīng)器內(nèi)UV光源的基本UV光輸出可在任何給定的瞬間被精確地確定，在反應(yīng)器內(nèi)的實際UV傳輸也能這樣。
本發(fā)明的另一目的是提供一種基于UV的凈化系統(tǒng)，其中每個反應(yīng)器能夠控制反應(yīng)器內(nèi)的流體流速，能根據(jù)指令瞬間獲得非常寬及精確的工作范圍，及呈現(xiàn)零液壓頭損耗，其中每個UV反應(yīng)器還能夠獨立地作出上述功能而不會與該系統(tǒng)中的其它UV反應(yīng)器相互影響。
本發(fā)明的另一目的是提供一種基于UV的凈化系統(tǒng)，它具有監(jiān)測及控制反饋裝置，由此可提供對系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的有效、實時的響應(yīng)，并能在構(gòu)成系統(tǒng)的UV反應(yīng)器中完全獨立地作出這些。
本發(fā)明的另一目的是提供一種基于UV的凈化系統(tǒng)，它能夠精確地及故障保險地在大規(guī)模UV光致離解應(yīng)用中典型遇到的所有工作條件范圍上優(yōu)化UV劑量。
這些及另外的目的將通過本發(fā)明來實現(xiàn)。
具體地，本發(fā)明提供了用于含有對紫外線(UV)敏感的微生物和/或有機(jī)化合物的流體、如水及廢水的基于UV的凈化方法及裝置。
本發(fā)明的裝置包括(A)單個UV反應(yīng)器組件或多個UV反應(yīng)器組件，每個UV反應(yīng)器組件包括(1)流體流入導(dǎo)管；(2)設(shè)置在流體流入導(dǎo)管中的可變速泵，該泵能以由泵速度控制信號強(qiáng)度的速度轉(zhuǎn)動；(3)設(shè)置在流體流入導(dǎo)管中可變速泵下游的UV反應(yīng)器，該UV反應(yīng)器具有一個內(nèi)室，該內(nèi)室包括(i)設(shè)置在流體流入導(dǎo)管下游的及與它連通的反應(yīng)器流體通道，該反應(yīng)器流體通道具有一個入口及一個出口；(ii)設(shè)置在反應(yīng)器流體通道中的UV閃光燈，它能夠發(fā)射一個或多個具有波長在UV-C范圍中的紫外光脈沖，其中該閃光燈以由燈輸出控制信號確定的UV強(qiáng)度及脈沖重復(fù)率發(fā)射一個或多個脈沖；及(iii)設(shè)置在反應(yīng)器流體通道中一個位置上的UV傳輸率檢測器，以檢測通過所述位置附近流體子流一部分的UV傳輸率，該檢測器能發(fā)生指示測量的UV傳輸率的輸出信號；及(B)控制組件，設(shè)置成獨立地與UV反應(yīng)器組件電通信，該控制組件能夠產(chǎn)生所述泵速度控制信號及燈輸出控制信號及接收UV傳輸率輸出信號，該控制組件可被預(yù)編程，以響應(yīng)UV傳輸率信號產(chǎn)生附加的泵速度控制信號及燈輸出控制信號，以使得曝露在一個或多個紫外光脈沖中的子流的接著部分接收到所述目標(biāo)UV劑量。
在本發(fā)明裝置的一個優(yōu)選實施例中，每個UV反應(yīng)器組件還包括基于微處理機(jī)的反應(yīng)器控制單元(例如可編程邏輯控制器(PLC)，小型計算機(jī)，用戶自裝邏輯板)，它設(shè)置成與全系統(tǒng)控制組件，可變速泵，反應(yīng)器組件的UV閃光燈及UV傳輸率檢測器電通信。
本發(fā)明的方法包括以下步驟(1)提供上述的本發(fā)明裝置，其中控制組件被預(yù)編程，以將第一泵速度控制信號發(fā)送給每個UV反應(yīng)器組件中的泵及使泵在一個速度上轉(zhuǎn)動，該速度足夠提供通過流體流入導(dǎo)管及反應(yīng)器流體通道的預(yù)定第一流速；及其中控制組件被預(yù)編程，以使得流體子流流過反應(yīng)器流體通道，該控制組件將第一泵輸出控制信號發(fā)送給每個UV反應(yīng)器組件中的UV閃光燈，以使該閃光燈以預(yù)定第一UV 強(qiáng)度及預(yù)定脈沖寬度發(fā)射一個或多個紫外光脈沖，該一個或多個紫外光脈沖具有的波長在UV-C的頻帶中(它是殺死微生物及有機(jī)化合物光致離解的頻帶)，最好從以200至約300nm；(2)引導(dǎo)流體子流通過流體流入導(dǎo)管，該子流將以預(yù)定第一流速通過流體流入導(dǎo)管，及(3)引導(dǎo)流體子流通過反應(yīng)器流體通道從其入口流到其出口，以使得子流通過UV閃光燈的附近及UV傳輸率檢測器的附近，子流以預(yù)定第一流速通過該通道；其中當(dāng)子流通過流體通道時一部分子流曝露在UV閃光燈發(fā)射的一個或多個紫外光脈沖中，該紫外光脈沖是UV閃光燈響應(yīng)于由控制組件產(chǎn)生的第一燈輸出控制信號產(chǎn)生的；UV傳輸率檢測器測量通過檢測器附近的一部分子流的UV傳輸率及將UV傳輸率輸出信號傳送到控制組件以指示測量的UV傳輸率，其中控制組件被預(yù)編程，以分析所述UV傳輸率信號及確定接收一個或多個紫外光脈沖的一部分子流是否接收到目標(biāo)UV劑量，及其中如果所述一部分子流未接收到目標(biāo)UV劑量，該控制組件被預(yù)編程，以發(fā)送(i)第二泵速度控制信號及在流體流入導(dǎo)管及反應(yīng)器流體通道中產(chǎn)生第二流速，和/或(ii)第二燈輸出控制信號及以第二UV強(qiáng)度和/或第二脈沖寬產(chǎn)生一個或多個紫外光脈沖的發(fā)射；其中第二流速和/或第二UV強(qiáng)度和/或第二脈沖寬度是這樣的，即曝露在一個或多個紫外光脈沖中的子流的接著部分接收到所述目標(biāo)UV劑量。
本發(fā)明的裝置可包括單個UV反應(yīng)器組件或多個UV反應(yīng)器組件。最好，該裝置包括以并列或串聯(lián)布置方式設(shè)置的多個UV反應(yīng)器組件，最好是以并列布置方式。
本發(fā)明的裝置及方法對于受對UV敏感的物質(zhì)污染的水，廢水及其它流體的非化學(xué)凈化提供了可靠及成本效果好的系統(tǒng)。本發(fā)明中使用的全系統(tǒng)控制組件可分開地及實時地調(diào)節(jié)每個反應(yīng)器組件中的水流和/或UV功率輸出以適應(yīng)寬范圍的變化流體狀態(tài)。本發(fā)明裝置使用相對流體流入導(dǎo)管及反應(yīng)器流體通道同軸地布置的UV閃光燈的實施例進(jìn)一步地簡化了UV光的釋放及對于特性的精確計算提供了簡便的方案。
本發(fā)明的詳細(xì)說明如上所述，本發(fā)明提供了一種使用脈沖調(diào)制的紫外線流體凈化方法及裝置。被處理的流體是包含對UV敏感的微生物及有機(jī)化合物的被污染的流體。
這里所使用的術(shù)語“凈化”(“decontaminate”，“decontaminating”，“decontamination”)是指本發(fā)明消滅微生物及引起有機(jī)化合物光致離解的方法及裝置的能力。更具體地，上述術(shù)語意味著該方法及裝置能夠至少殺死被處理流體中微生物的主要部分或使其不能再生，及至少能夠使被處理流體中有毒的有機(jī)化合物的主要部分引起光致離解，以便形成無毒的最終產(chǎn)物。因此，正如這里所使用的，術(shù)語“凈化”的意思包括光致離解及化學(xué)消毒兩者。
這里對于被本發(fā)明的方法及裝置處理的流體所使用的術(shù)語“凈化”意味著，該流體包含的對UV敏感的微生物和/或有機(jī)化合物的量是不希望有的。
這里對于污染流體的微生物和有機(jī)化合物所使用的“對UV敏感”意味著當(dāng)遭遇紫外線時微生物將被消滅及有機(jī)化合物將受到光致離解。
作為說明，這里本發(fā)明將對于廢水的凈化加以描述。但是可以理解，本發(fā)明可被用來凈化各種其它的流體。
本發(fā)明使用平均及峰值功率強(qiáng)度的各種組合的脈沖調(diào)制的UV閃光燈的輸出光譜。最好在本發(fā)明中所使用的脈沖調(diào)制的UV閃光燈具有30或更大倍數(shù)范圍的功率輸出。
在本發(fā)明中所使用的UV閃光燈能夠發(fā)射高強(qiáng)度、短脈沖寬度的紫外光。如在本發(fā)明中所使用的脈沖式，充氣的閃光燈當(dāng)電流脈沖通過它放電時將產(chǎn)生出寬頻帶的光，這時氣體電離并產(chǎn)生出在寬光譜范圍上大量連續(xù)且成行發(fā)射的波群。這種閃光燈使用惰性氣體如氙氣或氪氣，因為它們具有電-光能轉(zhuǎn)換的高效率。使用另外的氣體或氣體混合物及氣體放電系統(tǒng)亦是可能的及對于具體的應(yīng)用可能是理想的。
適合的UV閃光燈及所屬的脈沖發(fā)生硬件用于本發(fā)明是符合要求的，例如美國專利(號)4,871,559；4,910,942及5,034,235中的UV閃光燈，這些文獻(xiàn)的每個全文地結(jié)合于此作為參考。
本發(fā)明中使用的UV閃光燈能夠發(fā)射具有UV-C 范圍波長的紫外光，最好波長從約200至約300毫微米(nm)。該波長的紫外線在光消毒方面特別有效，因為在該范圍上微生物表現(xiàn)出最大的敏感性。
在本發(fā)明方法中由UV閃光燈發(fā)射的每個高強(qiáng)度、短脈寬的紫外光將優(yōu)選地具有至少0.01焦耳/cm2的強(qiáng)度，最好為從約0.01至約50焦耳/cm2。每個脈沖將優(yōu)選地具有從約0.001至約100毫秒的寬度。
紫外線發(fā)射的脈沖重復(fù)率將優(yōu)選為從約0.5至約30赫茲。
優(yōu)選地，每個閃光燈將提供每脈沖峰值功率約1百萬至約6百萬瓦的UV-C輸出。
每個UV閃光燈最好裝在防水的保護(hù)殼體中，如UV透射的石英管中。殼體(或外罩)本身被冷卻，以致無機(jī)的污物不會附著其上。
反應(yīng)器組件可由防UV金屬如不銹鋼或另外的防UV材料制造。
本發(fā)明裝置的可運送的、基于組件的構(gòu)型可有利地、實時地對于每個組件產(chǎn)生出有效、獨立及精確的基于泵的流量調(diào)節(jié)，由此可提供極其寬廣的流體狀態(tài)范圍及對處理設(shè)施的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最小沖擊。每個反應(yīng)器組件包括整體的可變速泵，最好是可提供精確實時流速指示的排液泵。這不僅允許正向關(guān)斷能力，而且可具有超過15倍或更大的實際輸出范圍。該技術(shù)結(jié)合了功率輸出范圍為30倍或更大的脈沖式閃光燈的瞬時UV功率調(diào)節(jié)。利用該方法，任何一個UV反應(yīng)器組件的流速不會在物理上迫使任何另一UV反應(yīng)器組件的流速改變。與現(xiàn)有技術(shù)的有利區(qū)別是，本發(fā)明的裝置中的UV組件不必要由于任何另一UV反應(yīng)器組件引起流速改變而對其性能作出折衷。因此，在本發(fā)明的裝置中使用的UV組件可以獨立地獲得最佳UV劑量。
本發(fā)明方法的監(jiān)測及協(xié)調(diào)是由智能控制系統(tǒng)提供的(即圖2及3中的控制組件28或控制組件28及圖4中PLC單元的組合)，它對于任何給定的一組流體狀態(tài)、獨立的UV反應(yīng)器組件性能狀態(tài)及所需的流體輸出狀態(tài)計算最佳操作方案。該控制系統(tǒng)主動及獨立地調(diào)節(jié)每個UV反應(yīng)器組件中的流速，UV功率輸出或這兩者。


圖1表示一個典型的現(xiàn)有技術(shù)的UV凈化系統(tǒng)。
圖1表示使用紫外線凈化水的一個現(xiàn)有技術(shù)的方法。在該現(xiàn)有技術(shù)方法中，流體通道或儲水器2用于保持和/或移動待處理的水(未示出)。設(shè)有多個與儲水器2連通流體的流體導(dǎo)管4。產(chǎn)生的水支流(未示出)在所示方向上流過流體導(dǎo)管4。導(dǎo)管4包括基于重力率的水口或閘門控制器6，它提供機(jī)械的流量調(diào)節(jié)。流體支流從導(dǎo)管4在圖示方向上流經(jīng)UV閃光燈機(jī)組8。在暴露于被閃光燈機(jī)組8發(fā)射的紫外線中以后，所產(chǎn)生的流體支流通過包括水口或閘門控制器6的流體導(dǎo)管10。流體支流從流體導(dǎo)管10流到流體通道或儲水器12中，流體支流可從這里獲得以被提取或輸送到其它地方。在儲水器2，UV閃光燈機(jī)組8及儲水器12中設(shè)有流速傳感器16。流體儲存器2還具有設(shè)在其中的渾濁度傳感器17。圖1中所示現(xiàn)有技術(shù)的方法還使用控制系統(tǒng)18。
圖1中所示現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的缺點是使用了被動的機(jī)械流量調(diào)節(jié)裝置，即書口或閘門控制器6，它趨于昂貴、笨重、調(diào)節(jié)慢及具有有限的容量和/或調(diào)節(jié)量。這些調(diào)節(jié)裝置典型地與連續(xù)波(即非脈沖式)的UV燈的備用機(jī)組相連系地工作，這些機(jī)組根據(jù)需要或在線工作或?qū)嶋H被去除。該系統(tǒng)典型地依賴于重力流，其結(jié)果是對液壓頭損失非常敏感。不管該系統(tǒng)理論上的能力如何，實際的實施表明對于流速改變的能力非常有限。在一個燈機(jī)組、通道或支管中提供流量調(diào)節(jié)的試圖可對系統(tǒng)另外走路中的流速及UV反應(yīng)器性能帶來不利影響，這時它或是通過燈輸出和/或燈溫度、UV傳輸率、污染等級、或流體流速進(jìn)行調(diào)節(jié)。該反應(yīng)器對反應(yīng)器的依賴性還限制可得到的工作范圍。使用該系統(tǒng)的設(shè)施也需要昂貴的結(jié)構(gòu)及與設(shè)計到開工的長期方案相關(guān)的對廢水設(shè)施的修改。
工業(yè)上要求一種簡單，快速及高功能的系統(tǒng)，它將由圖2及3中所示的本發(fā)明來提供。
圖2表示本發(fā)明范圍中的一種凈化方法及裝置的優(yōu)選實施例。
在圖2中，凈化裝置20包括流體通道或儲水器22用于保持和/或移動待凈化的流體F。最好在儲水器22中設(shè)置液位傳感器24，它與存儲程序的微處理機(jī)構(gòu)成的全系統(tǒng)控制組件28相連接。對于控制組件28，術(shù)語“全系統(tǒng)”意味著該控制組件對所有UV反應(yīng)器組件施加控制。流體導(dǎo)管26與儲水器22的一側(cè)相連接，它在圖示的方向上傳導(dǎo)來自流體F的液流F1。由控制組件28發(fā)出的指令(信號)通過控制母線30使液流F1分成子流F2，它們從導(dǎo)管26流到子流導(dǎo)管32。導(dǎo)管32將子流F2傳導(dǎo)到并列設(shè)置及可單獨調(diào)節(jié)的UV反應(yīng)器組件34中。雖然在圖2中看到該UV組件是并列設(shè)置的，但UV反應(yīng)器組件也可變換地以串聯(lián)方式設(shè)置。
UV反應(yīng)器組件34可彼此獨立地被控制。如將對圖3詳細(xì)討論的，子流F2在UV反應(yīng)器組件34中受到紫外線處理，紫外線將殺死微生物和/或引起子流中有毒的有機(jī)化合物光致離解。
一旦UV反應(yīng)器組件34中子流F2的處理完成，所產(chǎn)生的凈化子流E2在圖示方向上流出組件34及流入流體導(dǎo)管36。凈化子流E2流經(jīng)導(dǎo)管36流入到流體導(dǎo)管38，在這里凈化子流可被組合成單個凈化流E1。如果需要，該凈化流可在圖示方向上被傳輸?shù)揭粋€提取點40，從這里可根據(jù)需要提取或輸出凈化流體E。
圖3表示在圖2裝置中使用的UV反應(yīng)器組件34的更詳細(xì)的圖。
如圖3所示，流體子流F2在圖示方向上經(jīng)過流體導(dǎo)管32流入UV反應(yīng)器組件34。子流F2根據(jù)由整體(或內(nèi)設(shè))可變轉(zhuǎn)速泵42建立的流速流入組件34。可變轉(zhuǎn)速泵42由控制組件28通過控制母線30來調(diào)節(jié)。控制組件28通過可變轉(zhuǎn)速泵控制器44對泵42發(fā)送適合的轉(zhuǎn)速指令(泵速度控制信號)。子流F2將以由控制組件28建立的及由泵42執(zhí)行控制的流速在圖示方向上流經(jīng)導(dǎo)管46進(jìn)入UV反應(yīng)器的內(nèi)部流體室48。在UV反應(yīng)器的室48內(nèi)設(shè)有同軸布置的脈沖式直線形閃光燈52，它將響應(yīng)由控制組件28通過控制母線30及閃光燈驅(qū)動器54發(fā)送的指令(即燈輸出控制信號)發(fā)射脈沖方式的紫外光。閃光燈驅(qū)動器54包括脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(未示出)及電源(未示出)。流體子流F2注入閃光燈52外面的室48。軸室48的內(nèi)壁48a上設(shè)有一個或多個UV傳輸率檢測器56，最好設(shè)在閃光燈52的直接視線的方向上。
根據(jù)來自控制組件28的指令及借助控制/反應(yīng)器接口連接器31，閃光燈驅(qū)動器54通過其脈沖形成網(wǎng)絡(luò)將一個短的、高峰值功率的電能脈沖發(fā)送到閃光燈52中，以使閃光燈52中所含的氣體電離并產(chǎn)生出可發(fā)射UV光脈沖的高溫等離子。該UV光脈沖照射UV反應(yīng)器50的室48中的注滿流體的容積。一些紫外光被子流F2中的組成成分、如懸浮固體及溶解固體吸收。所產(chǎn)生的UV對UV傳輸率檢測器56的作用被檢測器接口58接收，它通過控制母線30向控制組件28發(fā)送相應(yīng)信號?？刂平M件28借助任何一種可使用的差分測量方法來分析來自檢測器接口58的信號，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)代表在UV光單個脈沖期間遇到的流體的特定片斷(即子流F2)的“UV傳輸率”。
同時，該UV光單個脈沖也照射了大百分比例的微生物和/或有機(jī)化合物。根據(jù)(i)UV反應(yīng)器50的室48的容積尺寸，(ii)已知的每脈沖UV峰值功率，及(iii)對于該脈沖的已知UV傳輸率，控制組件28將計算在該UV光單個脈沖期間施加給室48的UV劑量(JoulesUV-C/m3)。應(yīng)注意，該UV劑量不是基于時間的劑量而是一個離散量。將該單個UV劑量與已被操作人員確定為目標(biāo)劑量的值進(jìn)行比較，然后控制組件28計算對于給定流體容積在給定流速下需要多少UV光脈沖劑量，及對于每個脈沖以相同的方式進(jìn)行控制。在任何時刻，工作參數(shù)可被控制組件28根據(jù)需要調(diào)節(jié)。
當(dāng)子流F2已通過UV反應(yīng)器50的室48時，子流接收到由操作人員指定的及由控制組件28指令及檢驗的UV光劑量。然后所產(chǎn)生的凈化子流F2從UV反應(yīng)器50的室48輸出，進(jìn)入流體導(dǎo)管38，如上結(jié)合圖2所討論的。
檢測器接口58的一個優(yōu)選實施例可以在每個UV反應(yīng)器組件34中使用一個或多個輔助污染程度檢測器60來監(jiān)測及指示微生物或化合物。最好，一個檢測器60設(shè)在室48的入口端(即上游)及另一檢測器60設(shè)置在室48的出口端(即下游)。檢測器60的這種布置(即“流入-流出檢測布置”)特別有利，即它提供了閉環(huán)反饋能力，可進(jìn)一步增加大規(guī)模UV光致離解應(yīng)用的精確性及效率。
如上結(jié)合圖2所述，液位傳感器24最好設(shè)置在入流儲水器22內(nèi)。液位傳感器24對控制組件28提供液位改變率的信息，控制組件使用該信息通過減去UV反應(yīng)器組件34的組合流速計算所需流入流速。在任何時刻，控制組件28已知組合凈化系統(tǒng)的流速，因為每個反應(yīng)器組件34裝有的整體可變速泵42的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)相應(yīng)反應(yīng)器組件34的流速及該轉(zhuǎn)速由控制組件28調(diào)節(jié)?？刂平M件28及反應(yīng)器組件34之間的數(shù)據(jù)通信沿著控制母線30及控制/反應(yīng)器接口連接器31進(jìn)行。
根據(jù)建立的所需流速，控制組件28用內(nèi)設(shè)智能監(jiān)測及分析每個反應(yīng)器組件34的工作狀態(tài)及然后確定每個反應(yīng)器組件34的最佳控制設(shè)定，它將產(chǎn)生整個凈化系統(tǒng)所需的總凈輸出量。工廠對反應(yīng)器組件34規(guī)定了用于該分析的部分，包括UV閃光燈每脈沖的基本輸出幅值，濾波后的UV閃光燈每脈沖的UV輸出幅值，每脈沖的流體UV傳輸率，每脈沖的UV劑量，脈沖重復(fù)率，通過UV反應(yīng)器50的室48的流速，每反應(yīng)器組件的平均UV劑量(JUV-C/m3)及每反應(yīng)器組件34的預(yù)警，警報及操作就緒狀態(tài)。工廠對控制組件28規(guī)定了用于該分析的部分，包括所需系統(tǒng)流速，用于凈化順從性的所需UV劑量(JUV-C/m3)，用于凈化設(shè)計參數(shù)的計算和/或查找表，現(xiàn)場專設(shè)操作標(biāo)準(zhǔn)，凈化系統(tǒng)限制，預(yù)警，警報及操作就緒平面，操作及服務(wù)歷史數(shù)據(jù)存儲器，及對監(jiān)視器、遙控操作及服務(wù)的外部通信。
在本發(fā)明的裝置中，如果在任何時刻任何反應(yīng)器組件34位于建立的限制以外，該裝置可立即地及實時地自動解除裝置輸出，由此保證任何時刻順從性。此外，本發(fā)明裝置的“零液壓頭損失”設(shè)計不僅體現(xiàn)了壓力隔離及真正獨立的反應(yīng)器組件操作的優(yōu)點，而且也利用了整個UV凈化裝置對廢水設(shè)施基本提供零液壓頭損失的潛力。
圖4表示本發(fā)明中使用的UV反應(yīng)器組件的一個優(yōu)選實施例，每個UV反應(yīng)器組件34還包括一個基于微處理機(jī)的反應(yīng)器控制單元62。反應(yīng)器控制單元62設(shè)置用于與全系統(tǒng)控制組件63及可變速泵控制器44，UV閃光燈驅(qū)動器54及檢測器接口58進(jìn)行電通信。
反應(yīng)器控制單元62的使用重新分配了微處理機(jī)的一些重要能力及與全系統(tǒng)控制組件的功能。如上所述，通過在每個反應(yīng)器組件中使用反應(yīng)器控制單元，每個反應(yīng)器組件可執(zhí)行它的反應(yīng)器專用監(jiān)測及計算的大部分工作，由此使I/O控制母線通信量減載及使控制系統(tǒng)對時間敏感的、同時進(jìn)行的多反應(yīng)器組件專用監(jiān)測及計算需要量減載。因此，用于圖4實施例中的全系統(tǒng)控制組件63比用于圖2及3實施例中的全系統(tǒng)控制組件28進(jìn)行的計算少得多。圖4的實施例仍保留控制組件63的整體的、上級的系統(tǒng)控制功能?？刂平M件63接收來自每個獨立反應(yīng)器組件34的反應(yīng)器性能監(jiān)測警報號，估價及確定最佳系統(tǒng)參數(shù)結(jié)構(gòu)，及對每個反應(yīng)器組件34發(fā)送操作相應(yīng)反應(yīng)器組件34的指定參數(shù)。每個反應(yīng)器組件34內(nèi)基于小功率微處理機(jī)的控制單元62從控制組件63接收專門指定給相應(yīng)反應(yīng)器組件34的參數(shù)控制信號，根據(jù)內(nèi)部監(jiān)測數(shù)據(jù)(UV傳輸率，UV輸出，流速，等)計算及設(shè)置UV劑量，相應(yīng)地監(jiān)測及調(diào)節(jié)，然后將反應(yīng)器輸出匯報給控制組件63。
因為本發(fā)明的UV凈化方法及裝置可理想地適用于(但不限制于)反應(yīng)器組件的并列操作，該裝置可通過簡單選擇多個相同的及可運輸?shù)?、能滿足凈化要求的反應(yīng)器組件來組成以適合廢水設(shè)施的要求。
如上所述，本發(fā)明的凈化裝置可有利地實時產(chǎn)生對每個UV反應(yīng)器組件的有效的、獨立的及精確的基于泵的流量控制，由此可適應(yīng)極寬范圍的流體狀態(tài)及對處理設(shè)施的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沖擊極小。每個反應(yīng)器組件包括一個整體的可變速的泵，以致任何一個UV反應(yīng)器組件的流速不會在物理上迫使任何另一個UV反應(yīng)器組件的流速改變。因此，與圖所示的現(xiàn)有技術(shù)的凈化裝置不同，在本發(fā)明的裝置中沒有一個UV反應(yīng)器組件由于另外反應(yīng)器組件發(fā)生的流速改變而需要使其性能折衷。其結(jié)果是，折本發(fā)明中使用的所有UV反應(yīng)器組件能夠獨立地獲得最佳UV劑量。
因為在連續(xù)波燈領(lǐng)域與計算UV劑量的裝置之間存在著很多爭議，對于觀察UV劑量看來最方便的是平均能量強(qiáng)度率乘以曝光時間(單位秒)。很多著者使用單位mw-s/cm2(毫瓦-秒/平方厘米)。這通常最簡單地用公式(I)表示如下
(I)D＝I·t式中D＝UV劑量，mW-s/cm2I＝殺菌的UV能量的平均強(qiáng)度，mW/cm2t＝曝光時間，秒在典型的多源連續(xù)波燈反應(yīng)器中的實際UV平均能量強(qiáng)度率是一個非常復(fù)雜的計算，此外要考慮液力流速的易變性，通常涉及“多點源加法”方案，以便使UV輸出量的大變化適應(yīng)于反應(yīng)器容積。沿一個CW燈軸線的假設(shè)點源周圍的光強(qiáng)度場可由下式(II)描述(II)I(r,z)i=P/n4πρ2exp[-(aq·rq+a1(r-r1))ρr]]]>式中r，z＝分別為一個圓柱坐標(biāo)系中的徑向坐標(biāo)幾縱向坐標(biāo)，坐標(biāo)軸的原點在燈軸的一端上I(r，z)i＝在位置(r，z)上可由第I點源引起的強(qiáng)度，P＝燈輸出功率n＝用于代表燈的點源數(shù)目ρ＝點源到位置(r，z)的距離aq＝石英外殼的吸收系數(shù)tq＝石英外殼的厚度a1＝水的吸收系數(shù)r1＝燈的半徑對于任何位置(r，z)所接收的總強(qiáng)度是來自系統(tǒng)內(nèi)所有點源的輸出的和，如下式(III)所示(III)I(r,z)=Σr=1nI(r,z)]]>其中
式(II)及(III)代表基本點源加法模型。因為該模型提供了關(guān)于光強(qiáng)度場的空間依賴信息，該信息可用來預(yù)計由流入流體中每個顆粒收集的射線劑量。該預(yù)計表示在下式(IV)中(IV)dosei=∫0τI(t)dt]]>式中dosei＝由第I顆粒接收的UV劑量I(t) ＝與時間相關(guān)的UV強(qiáng)度T＝時間τ ＝在被照射的容積中顆粒的停留時間細(xì)菌的失活過去被用一階分子運動方程來近似，對于“理想”狀態(tài)它被認(rèn)為是精確的，根據(jù)Chick定律(Chick，1908年)N＝N0e(-k/t)式中N ＝曝光于UV光中后的細(xì)菌密度N0＝初始細(xì)菌密度K ＝失活率常數(shù)(cm2/W-s)I ＝UV光能量強(qiáng)度(W/cm2)t ＝曝光時間(秒)為了描述UV凈化設(shè)計模型，專業(yè)人員推出更復(fù)雜的模型，它們必需包括多個基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)參數(shù)。這些模型則成為預(yù)計系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。對于“哪個模型是當(dāng)前用于UV凈化性能預(yù)計最佳的”存在的爭議的克服已超出了本發(fā)明的范圍，而Blatchley等人的杰出工作尚未經(jīng)受考驗(例如，Ernest R.BlatchleyIII(1998)“紫外線消毒系統(tǒng)中處理性能的優(yōu)化”，Water Environment FederationProceedings，Disinfection’98，“廢水處理的最新趨勢氯氣殺菌與UV殺菌對比”)。
但是，為了區(qū)分本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)的方法，這里將使用UV殺菌模型(Scheible，1987)，它已成為在US EPA廢水消毒設(shè)計手冊(1986)中報導(dǎo)的及在廢水消毒手冊(水污染控制聯(lián)盟，1986)中引用的模型的基礎(chǔ)。這種模型以下式(V)表示(V)N=N0exp{ux2E[1-(1+4KEu2)]}+Np]]>式中u＝經(jīng)過反應(yīng)器的廢水速度(cm/s)x＝曝露在UV光下的水移動的平均距離(cm)E＝擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s)K＝失活率常數(shù)(s-1)失活率K是基于下式(VI)所示的經(jīng)驗關(guān)系的一個估值(VI)K＝α(Iavg)b式中Iavg＝反應(yīng)器中的平均UV光強(qiáng)度a，b＝廢水狀態(tài)專用的經(jīng)驗系數(shù)應(yīng)注意，該方法以及連續(xù)波燈處理所需的大多數(shù)其它消毒計算必需涉及到通常反應(yīng)器專用的及基于變化時間的項，如曝光時間，反應(yīng)器水速度，及與時間相關(guān)的UV強(qiáng)度。
在本發(fā)明中，在每個反應(yīng)器中使用單個脈沖調(diào)制的燈簡化了UV劑量的精確釋放及確定。這是因為UV閃光燈技術(shù)的離散的脈沖能量釋放方法可消除計算中的與時間相關(guān)的單元。當(dāng)已知反應(yīng)器流速(單位m3/sec)-實際上，本發(fā)明在任何時刻提供該信息-時，“平均能量強(qiáng)度率”及“曝光時間”的項均可被“每脈沖UV焦耳量”(JUV-C)乘以“脈沖重復(fù)率”(Hz)所代替。因此，我們可以更方便地以每立方米平均UV-C焦耳(JUV-C/m3)的名義及基于我們的消毒模型根據(jù)該精確定量的變量來測量UV-C劑量。
此外，在單個直線狀光源(脈沖式，高強(qiáng)度UV閃光燈)的反應(yīng)器內(nèi)的同軸布置方式進(jìn)一步簡化UV光的釋放及對于性能的精確計算提供了較輕便的方案。有利地，還在于實時地計算UV反應(yīng)器的實際性能，而非在預(yù)計反應(yīng)器性能時基于處理方法(及初始依據(jù))的實際操作。本發(fā)明的方法體現(xiàn)了該重要區(qū)別。
眾所周知，各種消毒操作可通過對具體處理確定最佳UV釋放狀態(tài)來更有效地獲得所希望的輸出量。該處理是平衡三個初始輸入因素的問題流體流速，流體狀態(tài)(污染等級及UV傳輸特性)及施加到目標(biāo)微生物或化合物(及接著被其吸收)的UV功率量。因為這三個因素主管著該處理及主要地確定了處理效率，而被本發(fā)明的方法強(qiáng)調(diào)的正是這三個因素。
雖然US專利5,144,146(“’146專利”)提出了關(guān)于有毒物質(zhì)可被脈沖方式(就帶寬，平均及峰值功率強(qiáng)度等而言)的UV閃光燈消滅的框架式構(gòu)思，但這種構(gòu)思實際上是邊界條件的簡單相加，其中幾乎所有成功的UV離解處理已經(jīng)被過去幾十年許多其他的人公開實施過。在’146專利中提出的寬條件的事實包含了大量的實際及可能的處理操作(它們是完全不確定的，及類似地?zé)o相應(yīng)的具體UV要求)，除了幾十年來本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員公知的極普通的知識外，它沒有以任何方式具體地表達(dá)任何事情。這就是說，脈沖方式的閃光燈的可變功率輸出可改變得適合于對具體光致離解最佳地確定的所需的UV狀態(tài)。如果我們確定了對于基于幾乎所有UV閃光燈的光致離解處理有用的各種能量釋放方式(例如平均及峰值功率等)的范圍，則該范圍實質(zhì)上就是’146專利中提出的那些條件。
因此，本發(fā)明以由’146專利中規(guī)定的工作邊界內(nèi)的平均及峰值的各種組合使用了脈沖方式的閃光燈輸出光譜，而由’146專利中規(guī)定的工作邊界正是幾十年來UV閃光燈技術(shù)的其它使用者實質(zhì)上具有的。所公開的文獻(xiàn)清楚證明了這一點。實際上，由脈沖方式的高強(qiáng)度燈獲得的輸出配置的這種靈活性總使它們成為理想的選擇，其中UV光的大變化量及強(qiáng)度是有利的。
現(xiàn)有技術(shù)中，為了同時適應(yīng)變化的輸入流體及燈輸出狀態(tài)，以前的方法如在US專利4,336,223(Hilman)Z中提出的方法在反饋環(huán)中使用來混濁度檢測器?；鞚岫缺灰?guī)定為由于存在懸浮顆粒引起水透明度的降低。雖然混濁度的測量及其對最佳UV定劑量的作用認(rèn)為是現(xiàn)有技術(shù)中的特征，但混濁度實際上僅是影響UV光透射反應(yīng)器容積的能力或UV傳輸率的一個因素。例如極少量的常見的某些工業(yè)廢料可急劇地降低UV傳輸率的百分比，盡管對相同流體混濁度的測量可能指示低的混濁度值。當(dāng)通過該低的混濁度讀數(shù)確定UV劑量時，該不正確假設(shè)將產(chǎn)生出不正確的UV劑量及不順從該處理排放量。
Beer-Lambert定律描述當(dāng)流體中的任何材料吸收光時光是如何衰減的。用于給定波長光束的衰減系數(shù)或傳輸率為Tλ，其中主要由于吸收引起的衰減由下式(VII)描述(VII)Tλ=10-a2l]]>式中αλ＝波長λ時的吸收系數(shù)(cm-1)l＝路徑長度(cm)光化學(xué)處理僅可由被目標(biāo)介質(zhì)吸收的光來啟動。相對吸收的成分濃度的吸收率根據(jù)下式(VIII)來確定(VIII)Aλ=Σ1ϵλicil]]>式中ελici＝波長λ時的摩爾吸收系數(shù)(M-1cm-1)及流體中成分i的濃度(M)l＝路徑長度(cm)吸收率及傳輸率的關(guān)系由下式(IX)給出(IX)
Aλ＝-logTλ或Tλ=10-Aλ]]>雖然懸浮固體可吸收光及引起UV傳輸率的減小，但大家知道，這不總是具有線性作用，也不是由它主導(dǎo)處理。就對于需要精確UV定劑量的任何光致離解的重要性而論，UV傳輸率的測量比混濁度的測量更有意義。因此，當(dāng)確定實際UV劑量時僅依賴流體混濁度的監(jiān)測的處理可以完全是不精確及低效的。本發(fā)明的方法則有利地測量UV傳輸率而非混濁度，并在每個UV反應(yīng)器組件中包括一個檢測器接口，它用于一個或多個UV傳輸率檢測器。該檢測器接口還允許附加輔助污染等級檢測器。這種檢測工具在將來將變得非常通用，它實時地提供各種有關(guān)污染如微生物及有毒的有機(jī)化合物的指示。本發(fā)明的方法及裝置能夠附加重要的閉環(huán)反饋能力，這可進(jìn)一步增加大規(guī)模光致離解應(yīng)用的精確度及效率。
雖然以上的描述包括能使本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員實施本發(fā)明的細(xì)節(jié)，但應(yīng)理解，該描述是說明性的及對于本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來說借助該構(gòu)思顯然可作出各種修改及變化。
權(quán)利要求
1.含有對紫外線(UV)敏感的微生物和/或有機(jī)化合物的流體的凈化方法，包括以下步驟(1)提供一個裝置，包括(A)單個UV反應(yīng)器組件或多個UV反應(yīng)器組件，每個UV反應(yīng)器組件包括(a)流體流入導(dǎo)管；(b)設(shè)置在流體流入導(dǎo)管中的可變速泵，該泵能以由泵速度控制信號強(qiáng)度的速度轉(zhuǎn)動；(c)設(shè)置在流體流入導(dǎo)管中可變速泵下游的UV反應(yīng)器，該UV反應(yīng)器具有一個內(nèi)室，該內(nèi)室包括(i)設(shè)置在流體流入導(dǎo)管下游的及與它連通的反應(yīng)器流體通道，該反應(yīng)器流體通道具有一個入口及一個出口；(ii)設(shè)置在反應(yīng)器流體通道中的UV閃光燈，它能夠發(fā)射一個或多個具有波長在UV-C范圍中的紫外光脈沖，其中該閃光燈以由燈輸出控制信號確定的UV強(qiáng)度及脈沖重復(fù)率發(fā)射一個或多個脈沖；及(iii)設(shè)置在反應(yīng)器流體通道中一個位置上的UV傳輸率檢測器，以檢測通過所述位置附近流體子流一部分的UV傳輸率，該檢測器能發(fā)生指示測量的UV傳輸率的輸出信號；及(B)全系統(tǒng)控制組件，設(shè)置成獨立地與UV反應(yīng)器組件電通信，該控制組件能夠產(chǎn)生所述泵速度控制信號及燈輸出控制信號及接收UV傳輸率輸出信號，該控制組件被編程，以響應(yīng)UV傳輸率信號產(chǎn)生附加的泵速度控制信號及燈輸出控制信號；其中控制組件被預(yù)編程，以將第一泵速度控制信號發(fā)送給每個UV反應(yīng)器組件中的泵及使泵在一個速度上轉(zhuǎn)動，該速度足夠提供通過流體流入導(dǎo)管及反應(yīng)器流體通道的預(yù)定第一流速；及其中控制組件被預(yù)編程，以使得流體子流流過反應(yīng)器流體通道，該控制組件將第一泵輸出控制信號發(fā)送給每個UV反應(yīng)器組件中的UV閃光燈，以使該閃光燈以預(yù)定第一每脈沖能量發(fā)射一個或多個紫外光脈沖，該一個或多個紫外光脈沖具有的波長在UV-C的范圍中；(2)引導(dǎo)流體子流通過流體流入導(dǎo)管，該子流將以預(yù)定第一流速通過流體流入導(dǎo)管，及(3)引導(dǎo)流體子流通過反應(yīng)器流體通道從其入口流到其出口，以使得子流通過UV閃光燈的附近及UV傳輸率檢測器的附近，子流以預(yù)定第一流速通過該通道；其中當(dāng)子流通過流體通道時一部分子流曝露在UV閃光燈發(fā)射的一個或多個紫外光脈沖中，該紫外光脈沖是UV閃光燈響應(yīng)于由控制組件產(chǎn)生的第一燈輸出控制信號產(chǎn)生的；UV傳輸率檢測器測量通過檢測器附近的一部分子流的UV傳輸率及將UV傳輸率輸出信號傳送到控制組件以指示測量的UV傳輸率，其中控制組件被預(yù)編程，以分析所述UV傳輸率信號及確定接收一個或多個紫外光脈沖的一部分子流是否接收到目標(biāo)UV劑量，及其中如果所述一部分子流未接收到目標(biāo)UV劑量，該控制組件被預(yù)編程，以發(fā)送(i)第二泵速度控制信號及在流體流入導(dǎo)管及反應(yīng)器流體通道中產(chǎn)生第二流速，和/或(ii)第二燈輸出控制信號及以第二UV強(qiáng)度和/或第二脈沖寬產(chǎn)生一個或多個紫外光脈沖的發(fā)射；其中第二流速和/或第二UV強(qiáng)度和/或第二脈沖寬度是這樣的，即曝露在一個或多個紫外光脈沖中的子流的接著部分接收到所述目標(biāo)UV劑量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(1)中提供的裝置中，UV閃光燈與延伸在該通道的入口及出口之間的反應(yīng)器流體通道的縱軸同軸地布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中UV閃光燈設(shè)置軸反應(yīng)器流體通道的入口及出口之間的中間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(1)中提供的裝置的一個或多個UV反應(yīng)器組件中，UV反應(yīng)器還包括至少一個輔助污染等級檢測器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中UV反應(yīng)器包括兩個輔助污染等級檢測器，其中一個檢測器設(shè)在反應(yīng)器流體通道的上游端，及另一檢測器設(shè)在反應(yīng)器流體通道的下游端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(1)中提供的裝置還包括一個流體流入存儲器，用于保持待消毒的流體，及流入導(dǎo)管設(shè)在流體流入存儲器及每個UV反應(yīng)器組件之間，及與流體流入存儲器和每個UV反應(yīng)器組件的流體流入導(dǎo)管連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中存儲器設(shè)有一個流體位置傳感器，它傳感流速的改變及將輸出信號發(fā)送給控制組件以指示所述流速的改變。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(1)中提供的裝置還包括一個設(shè)置在每個UV反應(yīng)器組件的下游及與每個UV反應(yīng)器組件的出口相連接的流出導(dǎo)管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(1)中提供的裝置中，全系統(tǒng)控制組件包括一個存儲了程序的微處理機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(1)中提供的裝置中，可變速泵是一個排液泵。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(1)中提供的裝置中，每個UV反應(yīng)器組件還包括基于微處理機(jī)的反應(yīng)器控制單元，它設(shè)置成與全系統(tǒng)控制組件電通信。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(1)中提供的裝置中，以并列布置方式設(shè)置了多個UV反應(yīng)器組件。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(1)中提供的裝置中，以串聯(lián)布置方式設(shè)置了多個UV反應(yīng)器組件。
14.含有對紫外線(UV)敏感的微生物和/或有機(jī)化合物的流體的凈化裝置，包括(A)單個UV反應(yīng)器組件或多個UV反應(yīng)器組件，每個UV反應(yīng)器組件包括(1)流體流入導(dǎo)管；(2)設(shè)置在流體流入導(dǎo)管中的可變速泵，該泵能以由泵速度控制信號強(qiáng)度的速度轉(zhuǎn)動；(3)設(shè)置在流體流入導(dǎo)管中可變速泵下游的UV反應(yīng)器，該UV反應(yīng)器具有一個內(nèi)室，該內(nèi)室包括(i)設(shè)置在流體流入導(dǎo)管下游的及與它連通的反應(yīng)器流體通道，該反應(yīng)器流體通道具有一個入口及一個出口；(ii)設(shè)置在反應(yīng)器流體通道中的UV閃光燈，它能夠發(fā)射一個或多個具有波長在UV-C范圍中的紫外光脈沖，其中該閃光燈以由燈輸出控制信號確定的UV強(qiáng)度及脈沖重復(fù)率發(fā)射一個或多個脈沖；及(iii)設(shè)置在反應(yīng)器流體通道中一個位置上的UV傳輸率檢測器，以檢測通過所述位置附近流體子流一部分的UV傳輸率，該檢測器能發(fā)生指示測量的UV傳輸率的輸出信號；及(B)控制組件，設(shè)置成獨立地與UV反應(yīng)器組件電通信，該控制組件能夠產(chǎn)生所述泵速度控制信號及燈輸出控制信號及接收UV傳輸率輸出信號，該控制組件可被預(yù)編程，以響應(yīng)UV傳輸率信號產(chǎn)生附加的泵速度控制信號及燈輸出控制信號，以使得曝露在一個或多個紫外光脈沖中的子流的接著部分接收到所述目標(biāo)UV劑量。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中UV閃光燈與延伸在該通道的入口及出口之間的反應(yīng)器流體通道的縱軸同軸地布置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中UV閃光燈設(shè)置軸反應(yīng)器流體通道的入口及出口之間的中間。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中一個或多個UV反應(yīng)器組件中，UV反應(yīng)器還包括至少一個輔助污染等級檢測器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其中UV反應(yīng)器包括兩個輔助污染等級檢測器，其中一個檢測器設(shè)在反應(yīng)器流體通道的上游端，及另一檢測器設(shè)在反應(yīng)器流體通道的下游端。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，還包括一個流體流入存儲器，用于保持待消毒的流體，及流入導(dǎo)管設(shè)在流體流入存儲器及每個UV反應(yīng)器組件之間，及與流體流入存儲器和每個UV反應(yīng)器組件的流體流入導(dǎo)管連通。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中存儲器設(shè)有一個流體位置傳感器，它傳感流速的改變及將輸出信號發(fā)送給控制組件以指示所述流速的改變。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中還包括一個設(shè)置在每個UV反應(yīng)器組件的下游及與每個UV反應(yīng)器組件的出口相連接的流出導(dǎo)管。
22.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中控制組件包括一個存儲了程序的微處理機(jī)。
23.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中可變速泵是一個排液泵。
24.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中每個UV反應(yīng)器組件還包括基于微處理機(jī)的反應(yīng)器控制單元，它設(shè)置成與全系統(tǒng)控制組件電通信。
25.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中以并列布置方式設(shè)置了多個UV反應(yīng)器組件。
26.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中以串聯(lián)布置方式設(shè)置了多個UV反應(yīng)器組件。
全文摘要
本發(fā)明涉及在一個自動泵驅(qū)動結(jié)構(gòu)中使用脈沖調(diào)制的紫外(UV)光(52)凈化流體(F)、尤其是水及廢水的方法及裝置(20)，它可分開地及實時地調(diào)節(jié)用于水流及UV功率(平均及峰值強(qiáng)度)的每個UV反應(yīng)器組件以適應(yīng)寬范圍的流體狀態(tài)，由此達(dá)到操作人員所希望的水排放質(zhì)量。處理的控制的設(shè)計是根據(jù)基于UV傳輸率的反饋控制環(huán)及每個反應(yīng)器組件真正主動及獨立的調(diào)節(jié)，它與現(xiàn)有技術(shù)的相對被動及依賴的調(diào)節(jié)相反。為了使水源狀態(tài)與產(chǎn)生出期望的水排放質(zhì)量所需的UV劑量相匹配，通過平均/峰值功率及可變泵速率的實際最佳組合實時地獲得該劑量，該方法及裝置體現(xiàn)了實現(xiàn)自動、高效廢水凈化的一個新途徑。
文檔編號C02F1/32GK1413297SQ00817557
公開日2003年4月23日 申請日期2000年10月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月21日
發(fā)明者羅伯特·M·朗蒂斯 申請人:光流技術(shù)公司