CN102227256A - 在污水/循环水紫外消毒系统中混合部件的使用方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于混合至少一种流经流体系统的流体的装置和方法，所述流体系统使用紫外光控制生物体。紫外照射器被定位在流体流中，并且三角形混合部件阵列沿每个照射器的长度以隔开的间隔排列，其中多个三角形混合部件阵列在每个细长构件周围创建四个涡旋，形成方形涡旋阵列。

Description

在污水/循环水紫外消毒系统中混合部件的使用方法和装置
对相关申请的交叉引用：本申请要求2008年11月16日递交的美国临时申请序列No.61/200,292的先前递交日期在35U.S.C.§119(e)下的权益，其内容通过引用被并入本申请。
技术领域
本发明总地涉及使用紫外(UV)光来控制生物体的系统，并且具体地涉及对在使用UV光进行流体消毒的系统中的流体的混合。
背景技术
污水处理厂在开放式通道(open channel)中通常使用照射器机架(lamp rack)在流动方向上水平导向。所述照射器发射使致病的微生物失活的紫外光(UV)，使水安全以排放至接收水的主体或用于水的再利用(灌溉、间接适于饮用的再利用、工业使用、用于不适于饮用使用的杂排水等)。所述机架将照射器保持在分布于通道的截面上的阵列中，使得向下流过该通道的水都不会太过远离任何一个照射器。已知的开放式通道流体处理设备通过以下内容被示出，例如，美国专利No.4,482,809和No.5,006,244，其公开内容通过引用被并入本申请。
对水可以远离照射器多远而仍得到充分的消毒有实际的限制。图1是示出随着与照射器的距离的增加水中的UV辐照下降的曲线图，其中UV的透射率为55％T和65％T。
典型的使用低压汞弧照射器的UV系统具有在方形阵列中间隔约7.5cm(厘米)的照射器。具有直径为2.5cm的石英管，这意味着与任一照射器的最大距离约为4cm。这为水提供了足够的空间以流过照射器之间而没有过度的水头损失，并且接近到足以对所有区域达到充分的UV穿透，并且从而充分消毒。这些低压系统具有总功耗低于100瓦并且UVC(杀菌UV)输出低于50瓦的照射器。
照射器技术的更近期的改进已生产出具有更高输出的低压照射器。更高的照射器输出意味着每个照射器可以消毒更多的水，并且从而水流必须与照射器的UVC输出成比例地增加。然而由于跨照射器组(a bank of lamps)的水头损失限制(过高的水头损失意味着该组的上游水位必须提高，并且一部分水将会溢出该照射器组的顶部而不会被充分地处理)，所述照射器间距必须被增加以适应更大的水流。例如，具有250瓦用电量以及约100瓦UVC输出的照射器，必须被容纳在具有10cm照射器间距的阵列中。用于水流动的附加区域限制速度，并且由此限定跨该照射器组的水头损失。如图2所示，这导致离所有照射器最远点处的UV辐照降低。
离照射器最远点处的该降低的辐照导致与该更大照射器间距相关的性能效率上的一些降低，尤其是在低UV透射率(55％T)时，但能够使用较少的照射器的优势克服了所导致的用电量的增加。
甚至更高功率照射器(500瓦，具有200W的UVC输出)的更近期的发展将潜在地导致所需的照射器的数目被减少到采用250W照射器的系统的一半。然而，这意味着每个照射器处的流动必须加倍，导致跨照射器组的水头损失翻两番(水头损失与速度的平方成比例)，除非照射器的间距增加更多。然而，增加间距超过10cm导致处理效率进一步降低，否定了较少高功率照射器的潜在优势。
克服这一点的一种方式是封闭照射器组的顶部，使得水无法溢出该照射器组的顶部并被迫以较高的速度流动，并且造成通过具有较小的4英寸或更低的照射器间距的照射器的压力损失。这已被成功地用在使用高得多的供电的中等压力(MP)照射器(2500瓦/照射器，370瓦UVC)的场合(美国专利No.5,590,390，其公开内容通过引用被并入本申请)，并且被用在采用具有甚至更大间距的三角形或三角翼(delta wing)混合部件以及5000瓦照射器(750瓦UVC)的系统中(美国专利No.6,015,229，其公开内容通过引用被并入本申请)。即使美国专利No.6,015,229中所公开的系统具有封闭的顶部，照射器间距仍必须被增加以降低整体速度和水头损失。在美国专利No.6,015,229中所公开的系统中，该5000瓦MP照射器是相对短的(60cm长)。在美国专利No.6,015,229中所公开的系统的一个缺点是，如果使用较长的照射器，由该三角翼生成的涡旋(vortice)消失，并且有效性降低。因此，在美国专利No.6,015,229中所公开的系统最好与相对短的MP照射器(为60cm长，相对于LP照射器的典型的1.8m(米)长)一起使用。
在一个三角翼阵列被放置于LP照射器组的起始端的情况下，涡旋在约40cm后基本上消失。这已使用计算流体动态学(CFD)模型来建模，并且被示于图3和图4中。图3是示出三角翼下游2cm处的涡旋的速度涡旋图。图4是示出三角翼下游40cm处的涡旋的速度涡旋图。
该旋转速度以及由此造成的能在离照射器最远的水中混合的涡旋的能力由图3和图4中的速度矢量表征，因此其中较长的箭头表征贴近该照射器后(图3)的较高的旋转速率，并且因而较短的箭头表征三角翼下游40cm处的较低的旋转速率。
发明内容
本发明的实施方案包括用于混合至少一种流经流体系统的流体的装置和方法，包括细长构件的行和列的阵列，其中每个细长构件与相邻列中的细长构件水平排齐，并且与细长构件的相邻行中的细长构件垂直排齐，并且其中每个细长构件的轴线与流体流动方向一致；以及多个混合部件阵列，所述多个混合部件阵列沿每个细长构件的长度以隔开的间隔排列，其中所述多个混合部件阵列在每个细长构件周围创建四个涡旋，形成方形涡旋阵列。本发明的实施方案包括，其中每个细长构件是紫外光源，并且其中所述混合部件包括具有三角形的混合部件，所述三角形具有指向上游的一个顶点并且与所述流动方向成一角度。
附图说明
现在参考附图，其中在全部所参考的视图中同样的数字表示相同或相应的部分。
图1是示出在每厘米55％(虚线)和65％的水透射率下随着与所示的照射器/石英组合的距离的增加相对应的UV辐照的曲线图。
图2是示出方形照射器阵列中的4个照射器之间的中心点处的相对辐照对该阵列中的相邻照射器之间的照射器间距的曲线图。
图3是示出三角翼下游2cm处的涡旋的速度涡旋图。
图4是示出三角翼下游40cm处的涡旋的速度涡旋图。
图5a是沿照射器的长度被等距间隔的零个、一个、三个以及四个三角翼的阵列对微生物失活性能的影响曲线图。
图5b是根据本发明的实施方案的在67％的透射率下具有三角翼(虚线)和不具有三角翼的MS2减少等效剂量(“RED”(Reduction Equivalent Dose))对每个照射器的流率的先导(pilot)生物鉴定测试数据。
图6是根据本发明的实施方案的在60％的透射率下具有三角翼(虚线)和不具有三角翼的MS2 RED的先导生物鉴定测试数据。
图7是根据本发明的实施方案的在50％的透射率下具有三角翼(虚线)和不具有三角翼的MS2 RED的先导生物鉴定测验数据。
图8示出使用三角翼的现有技术的实施方案已采用在每个照射器周围生成8个涡旋的三角翼阵列。该附图取自于美国专利No.6,015,229的图4。
图9示出专利No.6,015,229中提出的具有较小的石英直径与照射器间距比的涡旋图案(vortex pattern)，示出靠近照射器的被高度处理的水区域没有被涡旋卷搅(sweep)走。
图10是根据本发明的实施方案的在每个照射器周围具有四个涡旋的涡旋图案，示出靠近照射器的水的改进的卷搅。
图11示出产生图10所示的涡旋图案的三角形混合部件。
图12是根据本发明的实施方案的具有三角形混合部件的照射器机架的示意图。
图13是根据本发明的实施方案的具有在一起的三个照射器机架的剖视图，示出支架、刮擦器(wiper)驱动臂、石英管以及三角形混合部件。
图14是根据本发明的实施方案的照射器机架的剖视图，示出引导更多水流过石英管的宽支架。
图15是根据现有技术的照射器机架的剖视，示出引导水从石英管流走的窄支架。
图16a根据本发明的实施方案示出顶端被移除的三角形混合部件。
图16b示出顶端未被移除的三角形混合部件。
图17根据本发明的实施方案示出在通道底部的半三角形混合部件。
图18是根据本发明的实施方案的半三角形混合部件的示意图。
图19a和19b是根据本发明的实施方案示出开放式通道中的照射器机架的侧面视图和端部视图，其中在该通道的顶部和底部水位处具有半三角形混合部件。
图20是根据本发明的实施方案的具有固定的垂直支撑杆或条的可替换的三角形混合部件支撑件布局。
图21是根据本发明的实施方案的具有可移除的垂直支撑杆或条的可替换的三角形混合部件支撑件布局。
图22是根据本发明的实施方案的用于具有四个照射器的阵列的封闭容器反应器的可能的布局。
图23根据本发明的实施方案示出封闭容器反应器的立体图。
图24是图23的封闭容器反应器的纵向剖视图。
图25是图23的封闭容器反应器的剖视端部图。
图26是根据本发明的实施方案的示出石英清洁机制的封闭容器反应器的端部剖视图。
图27是根据本发明的实施方案的用于具有十六个照射器的阵列的封闭容器反应器的布局。
具体实施方式
本发明的实施方案沿系统中的UV照射器的长度以隔开的间隔采用多于一个的三角翼(三角形混合部件)阵列，该系统使用UV照射器进行流体消毒。三角形混合部件阵列的布局被测试过，该测试使用计算流体动态学模型结合辐照领域的模型来模拟微生物失活。图5a中示出沿照射器的长度被等距间隔的零个、一个、三个以及四个三角形混合部件的阵列对微生物失活性能的影响。可以看出，沿着照射器被间隔的三个三角形混合部件的排列具有超过仅具有一个三角形混合部件阵列的布局的改进性能。
沿UV照射器的长度被间隔的三个三角形混合部件阵列的这种布局在污水处理厂利用先导系统被测试过，所述污水处理厂在具有和不具有该三角形混合部件的情况下，使用替代(surrogate)微生物MS2噬菌体和T1噬菌体(被用于生物鉴定测试中的已知替代生物体)。所述照射器在试验系统上的间距为6英寸(15cm)。
除了测试，未处理的水为约67％的UV透射率，使用腐殖酸将该透射率调整至60％T和50％T，以模拟天然的低透射率的水。图5b、6和7示出在具有和不具有该三个三角形混合部件阵列的情况下所达到的性能改善。
使用三角形混合部件的先前实施方案已经采用在每个照射器周围生成八个涡旋的三角形混合部件阵列。这在美国专利No.6,015,229的图4中被示出，在此被重现为图8，其中UV照射器5被管13包围并且各三角形混合部件产生一对相反旋转的(counter-rotating)涡旋10。
美国专利No.6,015,229中提出的构想是取得靠近照射器的被高度处理的水并将其从该照射器移走，以及取得远离该照射器的未被处理的或被少量处理的水并将其移至靠近该照射器处。
该布局不适合于这样的系统，在该系统中石英直径与照射器间距之比低于美国专利No.6,015,229中所提出的系统，因为如图9中所图示说明的，该涡旋不卷搅靠近照射器的大部分被高度处理的水。具体地，图9图示说明如果美国专利No.6,015,229中公开的布局与较小的石英直径与照射器间距比一起使用，将会发生什么。如图示说明的，涡旋图案示出靠近照射器的不受涡旋影响或不被卷搅走的被高度处理的水区域。
本发明的实施方案的布局更适合于这样的系统，在该系统中石英直径与照射器间距之比低于美国专利No.6,015,229中所提出的系统。在本发明的实施方案中，如图10中所示，四个大涡旋20包围每个照射器22，形成方形涡旋阵列。可以看出，该涡旋被设置为邻近照射器22，取得所述被高度处理的水并将其从照射器22移走，并且反过来取得远离该照射器的(在四个照射器22之间的中心点24处)水并将其移至靠近照射器22处。
如图11所示，本发明的布局具有产生涡旋图案的三角翼或三角形混合部件26，该涡旋图案具有四个被设置为邻近照射器的涡旋20。每个三角形混合部件26以一个顶点指向上游并且与流动方向成一角度地被排列。如图11所图示说明的，三角形混合部件26对被背对背地排列，以致每个三角形混合部件26的最长边28被排列为与所述对中的另一个三角形混合部件26的最长边(后缘)28平行且相邻。
每个三角形混合部件26产生一对相反旋转的涡旋20，并且该背对背的三角形混合部件26产生四个相反旋转的涡旋20，该四个相反旋转的涡旋20基本上旋转在每对周围的四个照射器22之间空间中的所有的水。就更高的旋转速率和更长的持续性而言，这种相反旋转在涡旋20彼此增强方面是重要的。三角形混合部件26的这种布局从机械角度上也是优选的，因为该三角形混合部件26可以被附接至其各自的照射器机架，并且整个照射器机架组件可以被撤走而不影响相邻的照射器机架。这对于通道内UV消毒系统的日常维护是重要的。将三角形混合部件26保持在适当位置的支撑杆30也在图11中被示出。如在此可以看出的，这些杆30被这样放置以处于由每个三角形混合部件26产生的两个相反旋转的涡旋20的卷搅范围之外，但是仍然处于有利位置以能够固定该三角形混合部件26的后缘。
该系统的优选实施方案中的组装好的照射器机架32(每个机架32具有三个照射器22)在图12中被示出。附加的支撑件34被更朝向各三角形混合部件26的顶端(先导角)35放置。该第二支撑件34被用来恰当地使三角形混合部件26的该角(迎角)与流动方向一致，并且进一步将该三角形混合部件26固定在适当的位置。该第二支撑件34也被定位于三角形混合部件26的中心线以便不干扰该涡旋20的旋转卷搅。
在本发明的实施方案中，照射器机架布局32被提供有每个机架32四个、六个或者八个垂直的照射器22。然而，任何数目的照射器22都可以被包括在单个机架32中。数个机架32被彼此相邻地排列，以形成照射器阵列用于在开放式通道UV消毒系统中使用。图13图示说明三个照射器机架32一起的剖视图，示出支架36、刮擦器驱动臂38、包含照射器22的石英管以及三角形混合部件26。照射器22在这个以及其他公开的实施方案中被排列在方形阵列中，以致每个照射器22与照射器的相邻列中的照射器22水平排齐，并且与照射器的相邻行中的照射器22垂直排齐。
大多数安装于UV系统的开放式通道机架在照射器机架的每个端部具有垂直支撑构件40，以支承该石英管和照射器22。如图15的剖视图所示，在现有技术系统中的该垂直支撑件被设置为靠近照射器。这趋于迫使水远离照射器、进入照射器之间的区域，并且导致该UV系统的性能降低。
如图14所示，在本发明的实施方案中，对此进行的改进在于具有宽支架36，该宽支架36阻碍离照射器22最远的垂直平面上的水，并且引导更多的在照射器22的垂直平面上的水。图14还图示说明在照射器22周围的开放区域的位置所在，并且对流动的障碍(支架腿)被远离于照射器22。
用于测量水中UV辐照的UV传感器(未示出)被放置在照射器机架中的两个石英管之间。利用沿照射器的长度周期性移动的刮刀(scraper)或刮擦器部件清洁该传感器以及该石英管是合乎期望的。该刮擦器组件可以由被约束于(tied to)马达驱动的螺杆驱动件41的垂直刮擦器驱动臂38驱动。刮刀的例子在美国专利No.7,159,264中被公开，其公开内容通过引入被引并入本文中。本发明的实施方案具有将顶端移除的改进的三角形混合部件260。该改进的三角形混合部件260在传感器刮擦器和三角形混合部件260之间提供充分的间隙。该三角形混合部件260的顶端可能会干扰该UV传感器刮擦器的运动。图16a和16b示出顶端被移除的三角形混合部件260和顶端未被移除的三角形混合部件26。图13图示说明用于该刮擦器驱动臂38的必要间隙。
CFD和辐照强度场的计算机建模已被完成，以通过反应器示出该顶端移除对微生物失活具有很小的影响。
本发明的实施方案还在照射器机架的顶部和底部使用半三角形混合部件42。如图17所示，这以与完整的三角形混合部件生成一对涡旋相同的方式生成单个完整涡旋。由于通道底部位于两个照射器之间的中心点上，该半三角形混合部件42上移约0.7cm，以容纳该支撑杆30。图18示出半三角形混合部件42。图19a和19b示出在开放式通道中的照射器机架，其中在该通道的顶部和底部水位处具有半三角形混合部件42。
如图20所示，支撑该三角形混合部件26的可替换的布局是通过使用垂直支撑杆或条44。这相对上述水平支撑布局有一些劣势和优势。垂直支撑件44对水流动产生更多障碍，造成通过反应器的更高的水头损失，并且也在一定程度上破坏了涡旋。然而，在大的照射器机架(例如垂直堆叠八个照射器)中，每根杆支承七个完整的三角形混合部件以及两个半三角形混合部件。这与在水平支撑布局中每根杆三个三角形混合部件形成对照。因此，这降低了系统成本。另外，使用垂直支撑杆44使之可能移除该三角形混合部件(例如为了清洁)而不必须移除整个机架。这在较脏的水中是重要的，在较脏的水中三角形混合部件可能具有累积废弃物串(藻类)的趋势，这在二级污水处理厂的污水中很普遍。
具有可移除的垂直支撑杆或条440的可替换的支撑布局在图21中被示出。另外，单个杆支撑照射器机架之间的三角形混合部件对中的二者是可能的，在这种情况下，在上面引用的八个照射器机架的实施例中，单个杆支撑十四个完整的三角形混合部件以及四个半三角形混合部件，进一步降低了成本。
如图22至27所示，本发明的实施方案包括在封闭容器反应器中的布局。类似于上面在开放式通道实施方案中所描述的，涡旋阵列可以被生成于封闭容器UV消毒系统中，其中照射器被装入在容器长度方向上具有流动的该管状容器，并且照射器平行于该流动。
图22示出四个照射器22的管状反应器46。三角形混合部件26提供的附加混合使该反应器能够被用于具有较低UV透射率的水，因为在开放式通道布局中，三角形混合部件26生成的涡旋20将离照射器22最远的水带至靠近照射器22处并且将最靠近照射器22的水从照射器22移走。如图23所示，这样的反应器46可以具有入口48和出口50，其中入口48使得水平行于照射器流动并且出口50使得水横向于照射器流动。
由于在开放式通道反应器中，一组或更多组三角形混合部件26沿照射器的长度以隔开的间隔被放置。图24示出三组。驱动石英清洁部件52的螺杆驱动件410(图24-26)在中心运动通过反应器46的长度。
图27示出具有四行每行四个照射器22的十六个照射器的阵列。以类似的方式，九个、二十五个或三十六个照射器的阵列可以分别由三行每行三个照射器22、五行每行五个照射器22或者六行每行六个照射器22产生。在较大阵列中，可以包括一些挡板(未图示说明)以防止水流入未被涡旋覆盖的壁附近的区域。
本文中如果不是另有声明，在此被讨论或者被提及的任何及所有的专利、专利公开、文章以及其他印刷出版物通过引用被并入本文，犹如在此对其全部内容进行了阐述。
应当理解的是，本发明的装置和方法可以被配置并实施为适合用于目前的任何环境。上述实施方案应被认为是在各方面都是说明性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种用于混合至少一种流经流体系统的流体的装置，所述装置包括：
细长构件的行和列的阵列，其中每个细长构件与相邻列中的细长构件水平排齐，并且与细长构件的相邻行中的细长构件垂直排齐，并且其中每个细长构件的轴线基本上与流体流动方向一致；以及
多个混合部件阵列，所述多个混合部件阵列沿每个细长构件的长度以隔开的间隔排列，其中所述多个混合部件阵列在每个细长构件周围创建四个涡旋，形成方形涡旋阵列。
2.如权利要求1所述的装置，其中每个细长构件是紫外光源。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述混合部件包括具有三角形的混合部件，所述三角形具有指向上游的一个顶点的并且与所述流动方向成一角度。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述混合部件包括具有半三角形的混合部件，并且其中所述半三角形混合部件在所述装置不被四个细长构件包围的区域中沿所述细长构件排列。
5.如权利要求3所述的装置，其中所述流体系统是开放式通道系统，并且其中混合部件被安装在水平支撑杆上。
6.如权利要求3所述的装置，其中所述流体系统是开放式通道系统，并且其中混合部件被安装在垂直支撑杆上。
7.如权利要求3所述的装置，其中所述流体系统是开放式通道系统，并且其中所述细长构件被垂直排列在机架上，以用于从所述通道移除，并且所述混合部件被安装在分别可从所述机架移除的垂直支撑杆上。
8.如权利要求7所述的装置，其中每个机架包括具有空间分隔垂直条的支架，其中所述空间分隔垂直条在所述细长构件周围创建开放区域。
9.如权利要求2所述的装置，其中所述混合部件包括具有先导顶点被移除的三角形的混合部件。
10.如权利要求3所述的装置，所述流体系统是封闭式通道系统，所述系统具有被设置在圆柱形容器中的所述装置。
11.一种用于混合至少一种流经流体系统的流体的方法，所述方法包括：
将细长构件的行和列的阵列浸没在所述流体流中，其中每个细长构件与相邻列中的细长构件水平排齐，并且与细长构件的相邻行中的细长构件垂直排齐，并且其中每个细长构件的轴线与流体流动方向一致；
将多个混合部件阵列沿每个细长构件的长度以隔开的间隔排列，其中所述多个混合部件阵列在每个细长构件周围创建四个涡旋，形成方形涡旋阵列。
12.如权利要求11所述的方法，其中每个细长构件是紫外光源。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述混合部件包括具有三角形的混合部件，所述三角形具有指向上游的一个顶点并且与所述流动方向成一角度。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述混合部件包括具有半三角形的混合部件，并且其中所述半三角形混合部件在所述装置不被四个细长构件包围的区域中沿所述细长构件排列。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述流体系统是开放式通道系统，并且其中混合部件被安装在水平支撑杆上。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述流体系统是开放式通道系统，并且其中混合部件被安装在垂直支撑杆上。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述流体系统是开放式通道系统，并且其中所述细长构件被垂直排列在机架上，以用于从所述通道移除，并且所述混合部件被安装在分别可从所述机架上移除的垂直支撑杆上。
18.如权利要求17所述的方法，其中每个机架包括具有空间分隔垂直条的支架，其中所述空间分隔垂直条在所述细长构件周围创建开放区域。
19.如权利要求12所述的方法，其中所述混合部件包括具有先导顶点被移除的三角形的混合部件。
20.如权利要求13所述的方法，所述流体系统是封闭式通道系统，所述系统具有被设置在圆柱形容器中的所述装置。
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