CN105601008A - 用于小社区分布式水供应的独立集成式水处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于分布式水供应的独立集成式水处理系统。过滤器输入接受待处理的水。凝聚系统可操作地连接至过滤器输入，其中将经过滤的水通过凝聚系统进行凝聚工序，从而由在水中的悬浮物产生针絮凝物。陈化缓冲储罐可操作地连接至凝聚系统，其中絮凝物在水中聚集成较大尺寸。螺旋分离器可操作地连接至陈化缓冲储罐，且将水分成两股水流，第一水流中大多数絮凝物被除去，而第二水流中包括浓缩量的絮凝物。任选的过滤系统可操作地连接至螺旋分离器且设置为接受第一水流并对第一水流进行过滤操作。灭菌系统可操作地连接至任选的过滤系统且设置为对所述第一水流进行灭菌操作。随后由灭菌系统将水输出作为可饮用水。

Description

用于小社区分布式水供应的独立集成式水处理系统

本申请是申请号为201010208513.3母案的分案申请。该母案的申请日为2010年6月11日；发明名称为“用于小社区分布式水供应的独立集成式水处理系统”。

技术领域

本发明涉及用于小社区分布式水供应的独立集成式水处理系统。

背景技术

清洁的水为世界上日益缺乏的日用品，特别是在发展中国家是严重的问题。大多数现有的水处理系统需要复杂昂贵的基础设施，包括大装置、化学供应和储存设备、电能和机器来支持公共水处理，这种基础设施通常不能用于小社区。

发明内容

本发明提供以下(1)-(25)：

(1).用于分布式水供应的独立集成式水处理系统，所述系统包括：

经过滤的输入，其用于接受和处理水；

凝聚系统，其可操作地连接至所述经过滤的输入，其中使用凝聚系统通过凝聚工序加工经过滤的水，以在所述水中产生针絮凝物悬浮物；

陈化缓冲储罐，其可操作地连接至所述凝聚系统，其中所述针絮凝物在水中聚集成较大尺寸；

螺旋分离器，其可操作地连接至所述陈化缓冲储罐，其中将水分离成两股水流，第一水流中大多数絮凝物被除去，而第二水流中包括浓缩量的絮凝物；

灭菌系统，其可操作地连接至所述螺旋分离器，且被设置为接受所述第一水流并对所述第一水流实施灭菌操作；

输出，其用于将来自所述灭菌系统的水输出作为可饮用水；和

动力供应，其用于为所述独立的集成式水处理系统提供所需的所有动力。

(2).上述(1)的系统，所述系统还包括可操作地连接至所述灭菌系统的过滤设施，以在通过所述灭菌系统将来自所述陈化缓冲储罐的第一水流的水灭菌之前接受所述水。

(3).上述(1)的系统，所述系统还包括可操作地连接至所述凝聚系统、所述陈化缓冲储罐、所述螺旋分离器和所述灭菌系统中的至少一个的动力供应系统。

(4).上述(3)的系统，其中所述动力供应系统为太阳能动力供应系统。

(5).上述(1)的系统，其中所述凝聚系统为电凝聚系统。

(6).上述(1)的系统，其中所述凝聚系统为化学凝聚系统。

(7).上述(1)的系统，其中所述螺旋分离器根据尺寸分离絮凝物。

(8).上述(1)的系统，其中所述陈化储罐产生的絮凝物的大小等于或大于所述螺旋分离器的截留尺寸。

(9).上述(1)的系统，其中设置所述螺旋分离器为将等于或大于所述截留尺寸的絮凝物移至所述第二水流。

(10).上述(1)的系统，其中所述凝聚系统为成品系统，且所述灭菌系统为成品系统。

(11).上述(1)的系统，其中用于运行所述系统的所有动力来自太阳能动力供应。

(12).上述(1)的系统，其中用于运行所述系统的所有动力来自风力涡轮。

(13).上述(1)的系统，其中用于运行所述系统的所有动力来自水力发电动力供应。

(14).上述(1)的系统，其中将所述电力储存在电池系统中，使得所述水处理单元的运行可独立于所述动力供应的运行。

(15).上述(1)的系统，所述系统还包括可操作地连接至所述凝聚系统和所述陈化缓冲储罐的螺旋混合器，其中将来自所述凝聚系统的水提供给所述螺旋混合器，并将来自所述螺旋混合器的水提供给所述陈化缓冲储罐。

(16).上述(1)的系统，其中所述灭菌系统包括分散在水中的TiO₂，所述已分散的TiO₂通过所述螺旋分离器回收。

(17).上述(1)的系统，其中所述灭菌系统包括涂覆在所述螺旋分离器的内表面上的TiO₂。

(18).上述(1)的系统，其中定制在所述螺旋混合器中的剪切速率，以生产在所述陈化缓冲储罐中快速聚集的具有给定的均匀性的致密絮凝物。

(19).上述(1)的系统，其中所述螺旋混合器的剪切速率与在所述陈化缓冲储罐中的缓慢混合剪切速率匹配，以防止所述絮凝物分裂。

(20).通过使用独立集成式水处理系统来处理水的方法，所述方法包括：

过滤提供给输入的水；

通过凝聚系统对经过滤的水进行凝聚工序，以从所述水中除去物质，所述凝聚系统可操作地连接至经过滤的输入；

在水中产生絮凝物，将水容纳在可操作地连接至所述凝聚系统的陈化缓冲储罐中；

通过运行可操作地连接至所述陈化缓冲储罐的螺旋分离器，将水分离成两股水流，所述两股水流包括除去大多数絮凝物的第一水流和包括浓缩量的絮凝物的第二水流；

通过灭菌系统对水实施灭菌操作，所述灭菌系统可操作地连接至所述螺旋分离器且被设置为接受所述第一水流；和

将来自所述灭菌系统的水输出作为可饮用水。

(21).上述(17)的系统或(20)的方法，所述方法还包括在将来自所述螺旋分离器的第一水流的水灭菌之前，通过可操作地连接至所述灭菌系统的过滤设施过滤所述第一水流。

(22).上述(17)的系统或(20)的方法，所述方法包括通过太阳能动力供应系统为所述凝聚系统、所述陈化缓冲储罐、所述螺旋分离器和所述灭菌系统中的至少一个提供动力。

(23).上述(17)的系统或(20)的方法，其中所述凝聚系统为电凝聚系统。

(24).上述(17)的系统或(20)的方法，其中所述螺旋分离器根据尺寸分离絮凝物。

(25).上述(17)的系统或(20)的方法，其中用于操作所述水处理装置所需的所有或部分动力通过集成式动力供应来供应。

附图说明

图1描述根据本申请的构思的用于分布式水供应的独立集成式水处理系统的模块图；

图2提供了描述电凝聚系统的操作的更详细的图；

图3是流体通道的图示；

图4A和图4B显示速率曲线和压力曲线的图；

图5是本申请描述的实施方案的一种形式的流体分离设备的说明；

图6为图5的流体分离设备的另一说明；

图7表示流动通过通道的中性漂浮颗粒和作用于它们上面的力；

图8阐述可用于本申请的系统的紫外线灭菌系统的透视剖面图；

图9说明根据本申请的构思的用于分布式水供应的独立集成式水处理系统的一个实施方案；和

图10说明根据本申请的构思的用于分布式水供应的独立的集成式水处理系统的另一实施方案。

具体实施方式

图1说明根据本申请的构思的独立集成式水处理系统100的模块图。将来自基础水源(例如池塘、小溪、江、湖、河口、井、存储罐或其他位置)的输入水102在过滤/筛滤输入处提供给系统100，其中输入过滤器/筛设施104的开孔具有一定的尺寸，以捕获超过某一尺寸的颗粒(例如，取决于仪器，开孔的尺寸可阻断尺寸大于2mm或5mm的颗粒)。随后将经筛滤的水通向电凝聚(EC)系统106，将该系统设计为作用于水，以通过产生(小的)针絮凝物而除去不期望的悬浮固体。随后将充满针絮凝物的水提供给陈化缓冲储罐108，其中，颗粒进一步聚集以形成更成熟的(更大的)絮凝物。具体而言，缓冲储罐包括混合方案用于更快形成絮凝物。在适当的陈化时间后，将含有已形成的絮凝物质的水通向螺旋分离器110。设计螺旋分离器110以从水中分离出超过某一尺寸的絮凝物。随后，将已除去絮凝物的水流通过任选的过滤器112，随后进行紫外(UV)灭菌系统114。具有已分离的絮凝物的水流，即，未通向过滤器或UV灭菌系统114的水，从系统100中出来进入废液流或存储罐116。

任选提供的最终过滤/筛滤设施112除去可能偶然通过前面的工序的颗粒。可选择过滤器以满足美国环境保护署(EPA)关于颗粒介质过滤器(GMF)的要求以及其他国家的其他环境要求。刚分离后的水品质可能已超过规章的标准，在这种情况下，过滤器用于确保避免异常操作阶段，例如流动波动或源水的浊度突然增加。在UV灭菌系统114中，水102中的微生物被灭菌或杀死。随后将水输出作为可饮用水118。

在图1的实施方案中，由太阳能或光致电压(PV)系统设施120为系统100的操作提供动力。在可选的实施方案中，将电凝聚系统116和陈化缓冲储罐118集成为具有作为后电凝聚工艺室的缓冲储罐的单个装置，和/或将螺旋分离器110和UV灭菌系统112集成为单个装置。在另一实施方案中，UV系统可扩展至进行源水污染物的高级氧化，例如，将源水暴露于涂覆有光活性材料(例如TiO₂)或其他适当的材料的UV活性表面。TiO₂用作UV的光催化剂，并且如果以纳米涂层的形式施用于耐流体的螺旋分离器110的表面，则还用作使生物膜的形成最少的防污剂。或者，TiO₂也可以纳米颗粒的形式分散在水中，且在UV灭菌工序之后通过螺旋分离器回收。TiO₂的容积分散产生更有效的光催化，但是由于需要膜来回收分散体，因此该实践不太常用。螺旋分离器110已显示有效回收通过某些化学修饰(例如pH调节或凝结剂等等)已聚集的TiO₂分散体。因此，在图1中，UV灭菌模块114可作为独立的设备实现，或者结合到螺旋分离器110中。可集成另外的高级氧化功能，作为螺旋分离器110内表面上的涂层、作为分散在水中的TiO₂或其组合。因此，在某些实施方案中，灭菌可在任选的过滤工序之前进行。

应理解的是，在某些实施方案中，泵送装置用于将来自系统100的各种单元的水移动(例如，可将输入水102泵送至系统100中)、移入或移出系统的单元(例如从电凝聚模块106到陈化缓冲储罐108以及从缓冲储罐108到螺旋分离器110)以及在系统100的其它单元之间移动和/或穿过系统100的其他单元。或者，水穿过系统的移动可完全或部分通过使用重力进料设施来完成。例如，待输入至系统100的水位于高于系统100的位置，其中，重力用于将水移动穿过系统。此外，在某些实施方案中，电池配置用于储存由太阳能系统120产生的电。随后，例如当太阳能系统120不产生电时，按需将动力供应给各种单元。

更进一步，虽然例示了太阳能系统120作为图1中的动力来源，但是，在其他实施方案中，可选的电源可单独使用或与太阳能系统120结合使用。一种具体的可选的配置为手动发电机(generator)或直流发电机(dynamo)，其中使用者转动发电机或直流发电机的曲柄，为连接的蓄电装置充电和/或为单元直接提供动力。在该实施方案中，因此不必完全依赖太阳。指示符120表示的动力的其他来源包括风力涡轮产生的动力和水力发电，等等。

此外，在可选的设计中可实现某些安全特征。例如，选择性地包括减压阀，以确保系统内的水压不超过某一最大值。在各种实施方案中实现的另一安全特征为自动停车开关，该自动停车开关识别系统的各单元(包括但不限于UV灭菌器)的故障。例如，如果UV灭菌器中的灯烧坏或出现故障，则将该状态用作信号来激活关闭系统的停车开关，使得未经加工的水不从系统100中出来。

参考图2，例示了用于图1的系统100的电凝聚系统的更详细的技术描述。应理解的是，图2的设计提供了电凝聚系统的操作的概括性描述，且已知这种系统是存在的。供应EC系统的公司包括华盛顿的LandaWaterCleaningSystemsofComas、加利福尼亚的ForeverPureofSantaClara、以及PowellWaterSystemsInc.，Centennial，CO，等等。

图2的电凝聚系统106包括DC电力供应200，其中电力供应200的一侧经由金属线202与多个阳极204a-204n连接。电力供应200的第二侧经由金属线206与多个阴极208a-208n连接。将阳极和阴极保持在容器210中，该容器容纳加工中的水212(例如，图1的水102)。在该实施方案中，磁力搅拌棒214可操作地连接至磁力搅拌控制器216位于容器210的底部。当被激活时，搅拌棒214将水212混合。如果期望监测电凝聚系统106的操作，将电流计218与线路202(或线路206)串联放置，而如果期望监测电凝聚系统106的电压，则将电压计220与线路202和206相交地并联放置。

通过使用化学凝聚实现另一常用类型的凝聚工序。与电凝聚类似，常规化学凝聚用于将悬浮物去稳定以及实现可溶性金属种类以及来自水性液流的其他无机和有机物种类的沉淀，从而可通过沉淀或过滤而将它们除去。明矾、石灰和/或聚合物为用于该工序的常用化学凝结剂。但是，这种常规化学凝聚工序涉及在大池或其他容器中向水中加入大量化学物质，且往往产生具有高结合水含量的大体积的淤渣，该淤渣过滤缓慢且难以脱水。通过引入高度带电荷的聚合物金属氧化物种类，可从水性介质中电凝聚除去金属、胶态固体和颗粒、以及可溶性无机污染物。这些种类中和悬浮的固体和油滴上的静电电荷，以促进附聚或凝聚，且导致与水相的分离。该处理促进某些金属沉淀。

如图2所示，电凝聚系统基本上由多对平行的导电金属板组成，这些金属板用作单极电极。该系统进一步使用DC电源、用于调节电流密度的电阻以及用于读取电流值的万用表。导电金属板通常称为“牺牲”电极，且可为相同或不同的材料，例如但不限于铁。

在电凝聚工序的电解操作过程中，系统的正极侧进行阳极反应，而负极侧进行阴极反应。施用的电压的极性周期反转，使得两个电极更均匀地牺牲。释放的离子中和颗粒的电荷，从而引发凝聚。通过化学反应和沉淀、或通过使胶态材料聚结，释放的离子除去不期望的污染物，这些物质可随后通过浮选被除去。此外，当含有胶态颗粒、油状物或其他污染物的水移动通过施加的电场时，可存在电离、电解、水解和自由基形成，它们可改变水和污染物的物理和化学性质。结果是，反应性和激发态引起污染物从水中释放、被破坏或变得不太溶。

关注图1，一旦已使用电凝聚系统106加工了水102，将经EC加工的水102提供给陈化缓冲储罐108。由于在系统100中使用螺旋分离器110，期望在缓冲储罐108内形成的针絮凝物聚集成至少某一特定的截留尺寸。如将进一步详细说明的，可调节螺旋分离器110，以从水中分离出超过某一尺寸的絮凝物。因此，期望在陈化储罐内针絮凝物生长至至少等于或超过截留尺寸的尺寸。例如在本申请中，关于在陈化缓冲储罐中絮凝物生长的一个讨论描述于美国专利第12/234,373号，“MethodAndSystemForSeedingWithMatureFlocToAccelerateAggregationInWaterTreatmentProcess(在水处理法中，使用陈化的絮凝物作为晶种以加速聚集的方法和系统)”。

已在缓冲储罐108中加工后，随后将水102移动至螺旋分离器110，用于絮凝物分离。

在一个实施方案中，可根据本文引用的专利和申请的教导来构建螺旋分离器，包括但不限于在一些实施方案中作为例如在以下专利中所述的螺旋分离器运行的分离器：2006年11月20日提交的题为“ParticleSeparationandConcentrationSystem(颗粒分离和浓缩系统)”的美国专利2008/0128331A1(其序列号为11/606,460)；2007年11月7日提交的题为“FluidicDeviceandMethodforSeparationofNeutrallyBuoyantParticles(用于分离中性漂浮颗粒的流体装置和方法)”的美国专利序列号11/936,729；和2007年11月7日提交的题为“DeviceandMethodforDynamicProcessinginWaterPurification(在水纯化中用于动态加工的装置和方法)”的美国专利序列号11/936,753。

参考图3、图4A、图4B、图5和图6，公开了适于用作本申请的螺旋分离器110的螺旋分离器的构思，应理解的是，例如在引用和并入作为参考的申请中所述的螺旋分离器的其他实施方案可适用于本申请。

参考图3，弯曲通道300的一段显示作用于颗粒302的各种力。同样，例示了速率曲线和压力曲线。

对于在弯曲通道中的流动，如下进行分析考虑。关于这一点：

V＝流动速率

p＝压力

F_cf＝颗粒上的离心力

F_Δp＝由于压差引起的力

F_vd＝由于粘滞阻力引起的力

R＝通道的曲率半径

η＝流体的动态粘度

m＝颗粒的质量

r＝假定为球形的颗粒的半径

ρ＝流体的密度

作用于颗粒上的离心力(∝r³)、横向压力驱动(∝r²)和粘滞阻力(∝r)的表述可如下表示：

$F_{cf}=\frac{{\mathrm{mV}}_{\mathrm{\θ}}^2}{R}=\mathrm{\ρ}\frac{4}{3}{\mathrm{\πr}}^3\frac{V_{\mathrm{\θ}}^2}{R}$

F_Δp＝pπr²

F_vd＝6πηrV_r

如果F_cf＞F_Δp或 $\mathrm{\ρ}\frac{4}{3}{\mathrm{\πr}}^3\frac{V_{\mathrm{\θ}}^2}{R}>{\mathrm{p\πr}}^2,$

则颗粒将向外移动，

即

$r>\frac{p}{P}\frac{R}{V_{\mathrm{\θ}}^2}\frac{3}{4}.$

对于任何给定的几何形状、压力和流动速率，方程式(1)可用于确定将向外移动的颗粒尺寸的下限。小于该下限或

的颗粒将向内移动。

在颗粒穿过流动通道迁移(横向)之前，移动距离取决于F_vd和F_Δp的相对量级。

还由于F_Δp∝r²且F_vd∝r，较大的颗粒将更加受到流动引起的朝向内表面的横向压降的影响。

横向压力可得自考虑在同心空腔中的外周流动，其中抛物曲线符合：

V_θ＝V₀(r-r₁)(r₂-r)

且r₁和r₂分别为内半径和外半径。径向压降p如下：

$p={\∫}_1^2\frac{{\mathrm{\ρV}}_{\mathrm{\θ}}^2}{R}dr=V_0^2\frac{\mathrm{\ρ}}{R}\[\frac{r^5}{5}-\frac{(r_1+r_2)r^4}{2}+\frac{r_1^2+4r_1{r}_2+r_2^2)r^3}{3}-r_1{r}_2(r_1+r_2)r^2+r_1^2{r}_2^{2}r\]$

计算的速率和压力曲线示于图4A和图4B。显示压力取决于距内壁的距离，从r₁开始并增加到到r₂。向内的压力场(来自外壁)明显。

设计通道所需的通道的流动长度以满足对应于颗粒尺寸范围的通道宽度和流动速率。对于向外运动的径向运动方程式如下：

$m\frac{{\mathrm{dV}}_r}{dt}=\frac{{\mathrm{mV}}_{\mathrm{\θ}}^2}{R}-{\mathrm{p\πa}}^2-6{\mathrm{\π\ηaV}}_r=(\mathrm{\α}-{\mathrm{\βV}}_r)m$

其中

$\mathrm{\α}=\frac{V_{\mathrm{\θ}}^2}{R}-\frac{{\mathrm{p\πa}}^2}{m}$

$\mathrm{\β}=\frac{6\mathrm{\π}\mathrm{\η}a}{m}.$

运动方程式的解是径向速率：

$V_r=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}}(1-e^{-\mathrm{\β}t})$

其中加速时间-常数τ如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{\mathrm{\β}}=\frac{m}{6\mathrm{\π}\mathrm{\η}a}$

且最终速率

$V_{\mathrm{\∞}}=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}}.$

当横向压力占优势时，向内运动的相应的关系可通过改变运动方程式中的离心力和压力驱动力的极性(polarity)而得到。

必须结合以下给出的沉积时间来考虑过渡时间：

${\mathrm{\τ}}_s=\frac{h}{V_y}$

其中h为通道高度，且V_y如下给出：

且γ为如下给出的浮力术语：

对于颗粒分离，这些关系用于设计用于期望的颗粒尺寸范围的装置。采用这种方式，在一个预期形式的目前描述的实施方案中，基于过渡时间和横向迁移速率，收集出口的平行排列使设计尺寸范围的颗粒积聚。

关于这一点，现参考图5，例示了根据目前描述的实施方案的分离设备110的一个形式。该形式显示具有逐渐增加的曲率半径的扩张的螺旋通道502。该几何形状利用压力变化的速率：dp/dR∝1/R²。在另一个形式中，装置可具有收缩的螺旋通道，所述通道对于侧壁具有逐渐减小的曲率半径。在任一种情况下，通道502从入口504发展成两个单独的通道506和508(例如，也称为通道#1和通道#2)至相应的出口510、512。

图5的螺旋分离器装置110的分解图示于图6。在一个形式中，分离通道502的最宽部分的宽度例如为10mm，且逐渐变细，在接近入口504和出口510、512处宽度为5mm。入口504接近分离器110的中心，而出口510、512接近外周界。颗粒随着流体移动，但也迁移穿过通道横截面。在一个形式中，通道结构的高度例如从0.5mm到2mm之间变化。每个出口510、512依据流体速率选择性地收集已分离的颗粒。在通道#1(506)和#2(508)中分别以低流体速率和高流体速率收集颗粒。因此，螺旋分离器将流动通过的水分离成至少两股水流，第一水流中至少一些颗粒(例如，絮凝物)被除去，而第二水流中包括浓缩量的颗粒(例如，絮凝物)。

通道502、506和508可采用多种形式形成，例如，使用激光切割机将丙烯酸类片材600、602和604(厚度3/16”和1/16”)切割成所需的尺寸。随后在片材604中切割通道。在一个形式中，片材600和602从上到下覆盖，且提供了入口504和出口510、512的孔。虽然未图示，但是两片500μm厚的有机硅片材在三层丙烯酸类层之间的两个界面处可形成流体密封。

值得注意的是，目前描述的实施方案提供了以多种形式进行颗粒分离。例如，根据流动速率，可通过离心力或通过通道的流体流动产生的压力来驱动颗粒分离。关于这一点，由两种不同的入口流动速率产生不同的结果。在任一种情况下，发生颗粒分离。

参考图7，描述了对于中性漂浮颗粒的第二种颗粒分离实施方案。该图涉及流体动力学分离的描述，其中在弯曲通道结构中的纯流体流动产生作为废液流的管状带的所需的迁移、集中和分离(diversion)。

更具体地，在图7中，在弯曲通道650(例如螺旋的弯曲部分)中颗粒652流动通过。如图所示，例示了由各种力产生的在通道中的不对称的管状收缩效应。这些力包括来自内壁的升力F_W、Saffman力F_S、Magnus力F_m和离心力F_cf。应理解的是，由于通道的曲率半径产生离心力F_cf。关于这一点，该增加的离心力Fcf包括缓慢的二级流动或迪恩涡流流动(如虚线箭头所示)，其扰乱了规则的管状收缩效应的对称性。颗粒在等流速线(如虚线椭圆形所示)的内平衡中浓缩。

因此，虽然第一种颗粒分离实施方案需要密度差来以使离心力将悬浮的颗粒相对于流体移动，该实施方案移动流体颗粒，这在中性漂浮悬浮物上产生粘滞阻力，该粘滞阻力引起颗粒迁移至新的位置，在该新的位置上，力平衡将它们定位以形成管状带。已知在直通道中的流体剪切产生侧向力，该侧向力引起颗粒惯性迁移。Segré和Silberberg通过实验说明在直通道中的管状收缩效应，其中，中性漂浮颗粒迁移以形成0.6D宽的对称带，其中D为通道直径。在二次方程式Poiseuille流动中，三种贡献说明了刚性球的侧向迁移。壁升力F_w用于排斥由于润滑来自壁的颗粒，第二个贡献是由剪切滑动产生的朝向壁的Saffman惯性升力，

F_s＝6.46ηVaR_e ^1/2

其中η、V、a和R_e分别为流体粘度、平均通道速率、颗粒半径和如下给出的通道雷诺数：

R_e＝ρVD/η

其中ρ和D为流体密度和通道的水力直径。第三个贡献是由朝向壁的颗粒旋转生产的Magnus力，

$F_m={\mathrm{\πa}}^3\mathrm{\ρ}\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}\×\stackrel{\→}{V}$

其中为由ΔV/r给出的角速率，且ΔV为横跨颗粒的速率差。在接近壁处F_w占优势并且达成与F_s和F_m的组合作用的平衡，以限制带中的颗粒。Segré和Silberberg开发了一种简化的长度参数来以简单的形式衡量在直通道内的管状收缩效应，

$L=\left(\frac{\mathrm{\ρ}Vl}{\mathrm{\η}}\right){\left(\frac{a}{d}\right)}^3$

其中l为实际通道长度，d为通道水力半径。在曲线通道几何形状中，离心力改变对称的管状收缩效应。来自该力的流体惯性引起二级横向流动或迪恩涡流，迪恩涡流为双再循环，迪恩数衡量该再循环的强度：

D_e＝2(d/R)^1/2R_e

其中R为通道的曲率半径。断面中间(mid-elevation)的颗粒通过迪恩涡流横向向外迁移，受壁升力排斥，并沿着顶壁和底壁朝向内侧壁继续循环返回(loopback)。与迪恩涡流的粘滞阻力相比，组合的Saffman力和Magnus力较大，使得颗粒被位于相邻的且更接近一侧壁的最小力捕获。在低流动速率下，带更接近内侧壁。在高流动速率下，带移动至与外侧壁相邻的位置。

因此，明显的是，与以下至少一种相关形成管状带：流体粘度、平均通道速率、颗粒半径、流体密度、通道的水力直径、角速率和横跨颗粒的速率差。此外，如上所述，该创新的一方面为根据螺旋通道的曲率半径来控制管状带偏移通道中心。因此，系统的配置和操作取决于预期的各种因素，例如，通过以下通用表述

$L=\left(\frac{\mathrm{\ρ}Vl}{\mathrm{\η}}\right){\left(\frac{a}{d}\right)}^3.$

这些因素或参数高度成比例，且随着从小规模设备到大规模设备的应用而变。

再参照图1，在螺旋分离器110之后插入任选的过滤器112，以确保避免异常操作条件和/或进料水品质变化。可使用具有适当筛网等级的过滤器以满足所需标准。在正常操作过程中，过滤器仅需要偶尔的反向冲洗。

如前所述，将除去絮凝物的水102提供给UV灭菌系统114。应理解的是，存在许多UV系统，且可用作UV灭菌系统114。例如，图8提供了可用作图1的UV系统114的紫外水消毒系统的透视图。图8的UV系统114包含水处理室700，该水处理室具有入口端702，该入口端包括连接有用于将水递送至处理室700的合适的管或导管706的入口开孔704。室700还包含出口端708，该出口端具有连接有合适的管或导管712的出口开孔710，通过该出口开孔将经处理的水排放。处理室700还包含通过合适的铰链716铰接安装的盖714。盖714的内表面优选为反射性材料，用于将紫外辐射向下反射回待处理的水中。

UV系统114还包含架718用于支撑平行间隔排列的多个管型紫外灯720。

优选架718由长时间与水接触不会产生不利影响的材料组成。此外，设计架718为可从室700的盖714移除地悬浮，使得当盖714关闭时其停留在室700的底表面，但是当将盖714升起时其从室700升起。用于为UV灯720提供动力的具有金属线722的合适的动力供应配备有自动电源开关724，优选该电源开关固定于处理室700的外侧，使得当盖714打开时，为系统提供的电源自动关闭。

使用所示和描述的支撑架718的配置，当盖714在枢轴上转动至打开的位置时，排列的UV管从处理室700升起。这样可容易清洁安置UV灯720的保护性管726和更换UV灯720。此外，使用该配置，通过处理室700的所有水必须通过排列的UV灯，在灯周围和灯之间流动，以提供水对UV辐射的足够的暴露时间，以实现水的消毒。无论处理室700中水的深度如何，所有的水通过灯720的阵列，当液体高度升高时，每个灯的更多部分被浸没。此外，基于UV灯的成角度的定向，在系统的操作过程中UV灯为湿/干定向。其中灯的一部分被浸没。而另一部分未被浸没。未浸没的部分在整个箱子中穿过空气发射UV辐射，且这些射线通过盖714内侧的反射性表面向下反射回水中。

来自多个公司的可用于本申请的其他UV灭菌系统包括得自加利福尼亚Irvine的WaterHealthInternationalInc.和加利福尼亚纽波特海滩的UnitedIndustriesGroupInc.，等等的UV供水系统。此外，系统100的灭菌工序可通过使用其他灭菌技术来完成，例如通过使用不同的辐照技术。此外，如前所述，可使用高级氧化技术，该技术使用光催化材料(例如，但不限于，TiO₂)作为螺旋分离器110内侧的表面涂层和/或作为纳米颗粒在源水中的分散体。

参考图9，例示了根据本申请的更详细的水处理系统800。

系统800包括太阳能(PV)动力供应系统120，该系统将日光转化为电，这些电进一步储存于蓄电池802中。太阳能动力供应系统120由多个单独的太阳能板(例如120a-120n)组成，这些太阳能板以适当的配置排列，例如平行和/或串联布置，以提供运行系统800所需的能量。在一个可选的实施方案中，包括可手动操作的发电机或直流发电机804，以在不能获得日光用于转化时产生动力，提供电力控制器806可操作地连接至蓄电池802，以控制提供给图9的集成式水处理系统800的各单元的能量。

在操作系统800中，其经由使用输入泵系统808在合适的入口(代表性地例示)从输入水源接受源水102，该输入泵系统由控制器806提供动力，也就是说，在一种形式中，源水102流动通过筛网过滤器104。应理解的是，设计筛网过滤器104以从输入水中过滤出相对较大的颗粒。关于这一点，过滤器104可由2mm-5mm筛网材料形成，但是也可使用其他尺寸的过滤器。

将已通过过滤器104的水102提供给前面讨论的电凝聚系统106。如在该附图中所示的，也通过控制器806为电凝聚系统提供动力。来自电凝聚系统106的水输出随后通向陈化缓冲储罐108。

将来自缓冲储罐108的输出通向含有水(或流出液)输出510的螺旋分离器110(参见图5)。在UV灭菌系统114之前，输出510将已与絮凝物分离的水流导向任选的过滤机构112。UV灭菌系统114的输出通常包含经处理的可饮用水118。

螺旋分离器110具有第二输出512(图5)，由该第二输出通过废水。可采用适当的方式处理废水。

关注本实施方案中的UV灭菌系统114，由图9可见，与系统800的其他单元一样，经由控制器806对该单元通电。UV灭菌系统114进一步设置有与自动电源开关724连接的安全开关820。在该设计中，安全开关820探测UV管720的故障，并将该信息传输给控制器806。随后控制器806关闭系统800的操作以确保不适当加工的废水不会作为清洁的饮用水输送给使用者。应理解的是，安全开关820作为一个实例给出，且其他安全机构也可与系统800的其他单元关联，从而例如但不限于适当地操作电凝聚系统和螺旋分离器，等等。

系统800还显示使用减压阀822、824、826以确保系统中适当的水压。

应理解的是，过滤器设施104和112各自可包含在单个过滤器阶段或多个过滤器阶段，且在一些实施方案中，各自可替换和/或可选择地能被除去、清洁和再利用。

已描述了图9的系统，结合图1的更一般性的描述以及图2-7的详述，应理解的是，在一些实施方案中，将根据本文所述的构思和教导开发的系统设计成服务于500-1,500人的社区，这样的社区需要约35-75gpd(即，加仑/天)/人，且系统(100或800)的水处理速率为100Lpm(即，升/分钟)。比起现有的系统，该系统的几个优点包括占地面积小、有效利用材料以及较低的能量利用。例如，通过使用电凝聚系统，避免了化学凝聚的成本和废物。具体地讲，将电凝聚的各方面与常规化学凝聚相比，明白电凝聚所在比常规化学凝聚低得多的成本下操作和维修的。电极紧凑，且仅在需要时更换，另一方面，在常规化学凝聚中，通常仅5.0％-7.0％的加入到废液流中的凝聚化学物在实际上用于凝聚工序。剩余百分比的材料被浪费并可能返回至环境中。使用常规化学凝聚时还常见的是，系统可能过量使用化学凝结剂，在将水排放回水供应之前需要清洁，而在电凝聚中仅仅是所需要的电极材料通过电化学工艺溶解。

下表1示例常规化学凝聚与电凝聚之间的能量和成本比较：

本申请的集成式系统的其他有益方面为使用螺旋分离设备。该装置需要低操作动力，且具有低压力消耗特性，其可用于电栅极(electricalgrip)应用所用的紧凑的集成式系统。例如，在如本申请所述的系统(即，对于100Lpm螺旋装置)中，螺旋分离设备需要：

ΔP＝2psi

功率＝20W

其中动力为通过螺旋分离设备的摩擦损耗；

Q＝100L/min

其中Q为流动速率。

常规水处理系统包括凝聚、絮凝和沉淀的序贯步骤；需要加工时间长(数小时)和大土地空间。本发明用螺旋分离代替沉积步骤，使得分布式(和移动的)水处理系统所需的占地面积更小。快速工序(从数小时降至数分钟)、降低的化学用量(50％)和低功率需要均促成可快速部署的小占地面积装置的构思。

本系统的其他优点在于UV灭菌系统的实施。这种小规模工作的紧凑紫外水消毒系统是能量高效的，且提供了低维护设计。使用相当于60瓦灯泡的典型的小规模灭菌装置以低至4分/吨待处理水的低成本运行，当处理速率为15升/分钟时，其足以用于设计为向500-1,500人供应水的水处理系统。

UV系统中的适当剂量取决于待灭菌的物质。但是，已知为了杀灭细菌和病毒，系统将施用2,000-8,000W-s/cm²，而为了杀灭贾第鞭毛虫(Giarida)、隐孢子虫(Cryptosporidium)等，系统将施用60,000-80,000W-s/cm²。还应理解的是，这种灭菌装置使用比传统的煮沸技术少6,000倍的能量。

还已知，UV光(240-280nm)使微生物的DNA去活化。因此，微生物不能复制且很快死亡。且对水的味道或气味没有影响，且许多次处理仅需12秒的时间。

关注本水处理系统的太阳能因素，符合在本申请中所述的参数的设备(例如10Lpm系统)可需要多达50kWH的太阳能。且已知：

对于250W/m²太阳能板

10小时太阳能收集和能量储存需要50,000/10/250～20m²太阳能板，

其中，50,000为在24小时期间需要的总电力；10为太阳能收集的小时数，250为1平方米太阳能板产生的电能；且20m²为需要的太阳能板的总面积。

那么用(Al电极)为电凝聚系统提供动力，所需的动力大致为：

37.89×0.024×24＝22KWH，

其中，37.89为每天加工1000加仑的倍数；0.024为加工1000加仑所需的动力；且24为操作的24小时时间。

对于螺旋分离器的运行，需要的动力大致为：

1HP(20W+压头损失)～74×24＝18KWH，

其中，20W为通过分离器的摩擦损耗；压头损失为通过管线的压力损失和摩擦损失；746为每个HP的瓦特数；且24为运行的24小时时间。

对于UV系统的操作，需要的动力大致为：

60W×(100/15)×24＝9.6KWH，

其中100为流动速率，单位升/分钟；15为UV供水系统设计的流动速率，单位升/分钟；且24为操作的24小时时间。

参考图10，例示了本申请的独立集成式水处理系统的其他实施方案。如上所述，常规化学凝聚工序具有某些缺点，所述缺点妨碍其在小集成式水处理系统中的实施。但是，图10描述了集成式占地面积小的水处理系统900，其包括在线化学凝聚和絮凝，用于在螺旋混合器810的螺旋通道内产生聚集的絮凝物颗粒。除了流体剪切以外，螺旋通道较狭窄的范围(confine)使得能够有效扩散活性物质，因为扩散长度大约为通道宽度。而常规水处理系统使用较大的凝聚池和絮凝池，这样延长了聚集时间。由于该有限的扩散长度，絮凝物颗粒的通道内聚集至少部分是可能的。本实施方案还提供了进行尺寸限制功能的定制的剪切速率，以形成致密的均匀尺寸的聚集的絮凝物颗粒。这些均匀尺寸的聚集的絮凝物颗粒可在缓冲储罐中快速聚集以进行分离，而无需下游沉积。概念性实验的证据表明，所述的更有效的混合和分离可使凝结剂剂量降低50％而达到与需要延长的沉积的常规系统相同的浊度降低能力。此外，螺旋混合器810还可作为螺旋混合器-调理器运行，其中在等于或大于临界迪恩数(等于或大于150)下运行的管圈通道内进行混合，且在低于临界迪恩数下操作的管圈通道内进行聚集调理。

在示例性系统900中，在合适的入口接受输入源水102，在一种形式中，该合适的入口为筛网过滤器104，应理解的是，设计筛网过滤器104以从输入源水中过滤出较大颗粒。关于这一点，过滤器104可由2mm-5mm筛网材料形成。在通过筛网过滤器104过滤以后，以碱的形式将碱性在线加入到输入源水中，以在整个工序中调节pH。可使用任何合适的碱。在加入碱性碱之后、在螺旋混合器810中混合之前，将凝结剂加入到输入水中。使用任何合适的凝结剂。

螺旋混合器810接受经碱性处理的输入源水和凝结剂。示于图10的螺旋混合器用于双重目的。首先，其提供了快速混合功能，其中进入的源水在入口处具有一定的角度，当源水撞击螺旋混合器810的较低的螺旋通道壁时，引起无序混合。其次，将常规剪切设计入通道内的流体流动速率，以达到限制疏松絮凝物生长的剪切速率。所得到的絮凝物颗粒致密且均匀，具有5-10μm的狭窄的尺寸范围。这些致密的均匀尺寸的絮凝物颗粒确保快速聚集。螺旋混合器810具有连接至缓冲储罐108的输出。将源水在缓冲储罐中保持确定的缓冲时间(例如，在一些情况下，为约4分钟)，使得在螺旋混合器810与螺旋分离器110之间流体阻抗匹配。缓冲储罐108的输出连接至具有流出液输出510的螺旋分离器110。流出液输出510将从输入到螺旋分离器的源水分离出的流出液导入过滤机构112。过滤机构112的输出通常包含经处理的水，可将该经处理的水进一步加入到UV灭菌114中。螺旋分离器110具有第二输出管线512，其中废水移动。可采用适当的方式处理废水。

螺旋混合器810可采用多种形式，包括在2007年11月7日提交的题为“DeviceandMethodforDynamicProcessinginWaterPurification(在水纯化中用于动态加工的装置和方法)”的美国专利第11/936,753号等等中所述的。关于这一点，螺旋混合器可采用具有一些次要的和/或功能的改变的基本上类似于螺旋分离器的外形。此外，撞击的角度为约90度，其中，对于螺旋混合器而言，调整所接受的流体以在通道中产生足够的湍流，使得源水(如上所述)的颗粒混合而不是分离。同样，如上所述，由于剪切力的作用，在混合状态中控制絮凝物的生长。应理解的是，在某些情况下，本申请的设备和系统(例如电凝聚装置、太阳能板和/或灭菌装置)可由制造商获得作为成品设备。应理解的是，为了构建本申请的成本高效的独立集成式水处理系统，可将这些成品系统集成到本水处理系统中。

Claims (4)

1.用于分布式水供应的独立集成式水处理系统，所述系统包括：

经过滤的输入，其用于接受和处理水；

凝聚系统，其可操作地连接至所述经过滤的输入，其中使用凝聚系统通过凝聚工序加工经过滤的水，以在所述水中产生针絮凝物悬浮物，其中该凝聚系统所需的动力大致为：

37.89×0.024×24＝22KWH，

其中，37.89为每天加工1000加仑的倍数；0.024为加工1000加仑所需的动力；且24为操作的24小时时间；

陈化缓冲储罐，其可操作地连接至所述电凝聚系统，其中所述针絮凝物在水中聚集成较大尺寸；

流体动力学螺旋分离器，其具有包括侧壁和垂直于该侧壁的顶壁和底壁的弯曲通道，该弯曲通道可操作地连接至所述陈化缓冲储罐，其中将水分离成两股水流，第一水流中大多数絮凝物被除去，而第二水流中包括浓缩量的絮凝物，其中在该通道中的分离基于通道的曲率结合通道中的速率和压力曲线中的至少一种，或通道中的流体动力；

灭菌系统，其可操作地连接至所述螺旋分离器，且被设置为接受所述第一水流并对所述第一水流实施灭菌操作；

输出，其用于将来自所述灭菌系统的水输出作为可饮用水；和

动力供应，其用于为所述独立的集成式水处理系统提供所需的所有动力。

2.权利要求1的系统，所述系统还包括可操作地连接至所述凝聚系统、所述陈化缓冲储罐、所述螺旋分离器和所述灭菌系统中的至少一个的动力供应系统，所述动力供应系统为太阳能供应系统或风力涡轮系统中的一种，和螺旋混合器，其配置为进入的水在入口处具有角度，当源自凝聚系统的水撞击螺旋混合器的较低的螺旋通道壁时，引起无序混合。

3.权利要求1的系统，所述系统还包括可操作地连接至所述凝聚系统和所述陈化缓冲储罐的螺旋混合器，其中将来自所述凝聚系统的水提供给所述螺旋混合器，并将来自所述螺旋混合器的水提供给所述陈化缓冲储罐，其中

所述螺旋分离器包括(i)在片材中切割的通道，(ii)由片材形成的顶盖和(iii)由片材形成的底盖，以及其中入口和两个出口在顶盖和底盖中形成，或者

所述螺旋分离器配置为具有产生离心力的曲线通道几何形状，所述离心力改变对称的管状收缩效应，导致二级横向流动或迪恩涡流，其为水的双再循环。

4.权利要求1的系统，其中所述灭菌系统包括分散在水中的TiO₂，所述已分散的TiO₂通过所述螺旋分离器回收。