CN106133520A - 在线监测水质的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于监测在管道中的水流的质量的方法，做法是，使流转向到激光颗粒计数器中以对水中在某粒径间隔内的颗粒计数，以连续地确定在所述粒径间隔内的颗粒数，将该计数与某参考值相比较并且当计数超过某阈值时从管道取水样，并且还将水流从管道转向到单元中，所述单元将流分成多个级分，且当计数超过某阈值时取所述级分中的至少一种的样品，并且还当计数超过某阈值时发送报警信号。当计数超过某阈值时，用臭氧对水进行处理。

Description

在线监测水质的方法和装置
发明领域
本发明涉及水处理和水分配体系中水质监测的领域。
发明背景
在全球范围内，获得好品质的水对于人类是至关重要的。特别是对于新兴市场，这种挑战对于许多在水方面有压力的国家是非常真实的。无论在发达国家还是在发展中国家干净安全水的可得性均为主要问题。目前，由于人口增长、城镇化、来自各种工农业活动的水体污染增加、暴雨和由天气变化造成的干旱以及来自各种用户的需求，在满足可饮用水体系的增长需求方面，世界正面临艰难的挑战(Vörösmarty等, 2000; Lee等, 2005; Moe等,2006; Coetser等, 2007, Theron等, 2008)。根据WHO，超过十亿人(大多数在发展中国家)仍然不能获得足够的饮用水供应(世界卫生组织 2004)，且因此，易受伤害群体(儿童、老人和穷人)的健康福利品质依赖于安全和负担得起的供水的可得性(Theron等, 2008;Theron等, 2002)。
然而，仍然存在这样的事实，增加的人口需要来自社区的干净安全的饮用水。估计22亿人不能获得干净安全的水。每年有9亿人患有与水相关的疾病，全球病床的一半被罹患与水相关的疾病的人占据(世界卫生组织)，大部分受影响的是儿童和妇女。每年两百万儿童因为引用了被污染的水而死亡(即每15秒一个)(世界卫生组织)。这些是令人难以置信的数字。
负责家庭废水以及工业流出物的市政废水处理厂为河流和湖泊的主要污染源。经处理和未经处理的水以及溢流直接进入自然界并且会对湖泊和河流中的水生态体系造成威胁。来自湖泊和河流的水是饮用水的来源。
尽管事实上饮用水为我们最常用和有价值的日用品，仍然缺乏实用的实时监测和监测体系以及正确的处理体系，这些体系解决检测饮用水中可能的微污染物(如细菌和寄生虫以及药物残留)的需要。需要改进的监视和取样体系以及有效的处理来检测并避免水质的任何突然劣化以及启动恰当的措施，如有效的消毒和精制(polishing)。
当今市场上存在多种在线仪器，例如用于测定T℃(总有机碳)、BOD(生物需氧)、各种离子、氯、DO(溶解氧)等的仪器。然而，在全球所有水处理工厂最常见的是测定pH、温度、浊度和氯。这些参数不被加工并且未给出关于微生物生长也未给出关于寄生虫(如隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia))危害以及增加的有机物等的任何信息。
可由被污染的水传给人的致病微生物的两个重要的实例为贾第鞭毛虫(Giardia)和隐孢子虫(Cryptosporidium)。隐孢子虫(Cryptosporidium)卵囊在周围水中常见并分布很广，并且可在这样的环境中存留数月。感染人类所需要的剂量(即，感染剂量)低，已经在全世界发生过由该原生动物造成的大量水源性传染疾病的爆发，并且将会继续如此。该问题被以下事实加剧，一个事实是隐孢子虫(Cryptosporidium)耐常用的水消毒实践(例如加氯)，一个事实是目前还没有有效预防或控制由隐孢子虫(Cryptosporidium)造成的胃肠炎的药物。
在世界范围贾第鞭毛虫病(Giardiasis)是最常报道的肠道原生动物感染。世界卫生组织估计每年有2亿人感染。已经报道了在所有主要气候区(从热带到北极)的人被贾第鞭毛虫(Giardia)感染。贾第鞭毛虫(Giardia)胞囊在所有质量的表面水中普遍存在。因为贾第鞭毛虫(Giardia)感染在人群和动物群体中广泛传播，所以环境污染是不可避免的且甚至在最原始表面水中已经检测到胞囊。
隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia)的与人有关的来源为经处理的废水。现今尚没有监测排放到自然界(即湖泊和河流)的微生物的监视体系。具有不同浓度的微生物负载的经处理的或未经处理的废水与湖水和河水混合，这被称作“天然稀释”。
与病原体一起引起对水源的环境负载的另一种出现的污染物为药物产品残留，来源于药物工业、人类消费以及动物抗生素。此外，个人护理产品现今也成为环境问题。
这些残留粘着于水流中的微污染物(例如细菌和原生动物)并对环境造成破坏，并最终影响人类。实际上，含药物残留的废水导致用于生产饮用水的水源的污染。在全球范围内似乎药物/个人护理产品残留为出现的环境问题。
本文所用的术语“废水”为其品质已经被人为影响不利地影响的任何水。其包括由居家、商业地产、工业和/或农业排放的液体废物。废水的一个实例为市政废水。
需要具有污染物的取样和灭活以确保不同水洁净度的正确施用的改进的灵敏的监视体系来检测这些污染物。由于在经处理的废水和源水/湖水中病原体和药物残留的存在所产生的水洁净度的突然劣化是现今和将来的挑战。
需要处理废水以减少有机负荷和悬浮固体来限制环境污染和避免健康危险。用于市政废水的已有的处理方法为物理、化学和生物方法。物理化学方法涉及使用化学沉淀的一次和二次沉积、化学凝结、以及去除悬浮固体和溶解物质和过滤。生物处理主要涉及活性污泥和生物质生产。
这是非常复杂的体系且完整的过程花费约24-40小时，涉及废水处理中的各种步骤(Tansel，2008)。术语“总有机碳”通常是指与有机物质连接的碳，该有机物质衍生于腐烂的植被、细菌生长和活有机物或化学品的代谢活动。水中高有机碳为可能的微生物生长的指示。
病原体(如隐孢子虫(Cryptosporidium)、贾第鞭毛虫(Giardia)、钩虫、阿米巴变形虫和细菌)以及药物残留可存在于未经处理的或处理不充分的废水中，且如果该水到达河流/湖泊，则水变得不适合作为饮用水源的来源，原因是不存在给出关于污染的信息的监测体系。
正开发用于废水处理的新技术，如MBR(膜生物反应器)、通过纳米技术分离有机物、超滤和纳滤等。
现今废水处理中的焦点为除去氮和磷以及将废物转化为能量。纳米技术和不同尺寸和容量的MBR膜生物反应器已经被确定并开发用于提供与水处理和品质相关的许多困难的解决方案(Theron等, 2008)。
考虑到全球饮用水的重要性，并且谨记在为了满足日益提高的水要求的当前实践的可行性方面的关注点，紧迫地需要开发新技术和材料来解决与安全饮用水、循环水和将用于不同目的的源水和湖水的洁净度相关的挑战。尽管现今正开发新的水处理技术，但是需要新的成本有效的、用户友好的、稳健和更高效的精制体系，该体系能够一步去除和/或灭活寄生虫(例如隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia))以及经处理的水流中的药物残留。
目前，检测水中微生物的常规方法是在无菌瓶中收集500 ml随机的水样品并随后每个样品取不到一滴进行分析。为了确定任何微生物的存在，可在琼脂板上对样品进行培养，随后对板上的菌落形成单元进行计数。不用说，这样的方法具有多个缺点。一个缺点是未检出污染物的高风险，原因是取样的随机性。另一个缺点是低灵敏性，原因是分析量少：仅仅将从500 ml样品取出的一滴的一部分用于分析和评估。
对于寄生虫，不进行标准的常规分析，原因是分析的高成本和复杂性。某些较大的水处理工厂一个月分析一次样品或一年分析一次样品。分析花费数周，费用高。此外，需要多于100升水来进行正确的分析。
但是，出于许多原因，微生物污染物在水分配体系中会不时地发生，例如如果，出于某种原因，水处理失败或水分配体系中的生物膜松动。这类微生物污染可存在非常短时间，例如5秒到60秒，或者存在较长的时间，随后水质再次返回正常。现有技术的随机取样不适合捕捉该类型的微生物污染物。该性质的污染物可能每天/周/月出现数次并不被注意地通过，但是在消费者终端造成或多或少的严重的健康问题。
美国专利第7,891,235号公开了用于监测水体系中的水质的方法。在该体系中，提供水管来在其中输送水。颗粒传感器有效地与水管连接。颗粒传感器连续地对水管的水中的颗粒计数。只有当颗粒计数达到预定水平时颗粒传感器才触发水样品的取样。
国际申请WO/2002/017975公开了评估在物品表面上或在密封体积内臭氧消耗剂的存在的方法，做法是提供包含臭氧的流体、使所述流体与物品接触或将所述流体引入密封体积内、测定流体中臭氧的浓度和评价臭氧消耗剂的存在与所测得的臭氧浓度之间的函数关系。特别是，所述方法可作为评估表面或体积的清洁度的方法使用，清洁度以基本不存在臭氧消耗剂来表示。
国际申请WO/2011/061310公开了水供应和监测体系，其包括第一水管，用于在所述管道中的第一位置处感知水中颗粒的颗粒传感器；第二管道，其通过布置在第一位置下游的第一管道上的第二位置处的第一阀门与第一管道流体流通；第三管道，其在第一位置与第二位置之间的位置处与第一管道流体连通；第二阀门，其使由第一管道输送的水流入第三管道。同时还描述了使用所述配置的方法，所述方法包括：确定在第一管道中在0.1-100微米范围内的粒径间隔内水中颗粒的含量；当所确定的颗粒含量高于预定水平时触发第一阀门的关闭并打开第二阀门，籍此将在第一管道中流动的水从第二管道转向到第三管道中。
发明概述
本发明的一个目的是提供用于水的最终处理和实时监测、取样和将污染物(药物残留以及寄生虫隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第鞭毛虫(Giardia))分类的设备和方法，而化学品的使用显著减少并可获得经分类的清洁水以用于不同的目的。
本发明的另一个目的是为精确体积的水的正确水样提供污染信息。
通过本发明的方法，有利地在污染出现时对水取样，而不是随机取样，取样持续时间与污染持续时间一样长。
本发明的另一个目的为实时浓缩取样的水的体积，而不会破坏污染物。
本发明的又一个目的是提供用于水处理的装置和方法，其中病毒、细菌、藻类、原生动物和寄生虫从水中有效地去除。
本发明的另一个目的为提供用于工厂管理的装置和方法以快速决定，从而避免水体中的污染。
本发明的另一个目的为提供用于减少水体中微生物和小颗粒(例如药物残留的小颗粒)污染物的装置和方法。
本发明的另一个目的为提供用于减少水(例如市政用水(自来水)、经处理的废水或源水)中化学污染物的含量的装置和方法，所述化学污染物例如药物、个人护理品、农药(pesticides)、杀虫剂(insecticides)等。
本发明的再另一个目的为提供用于改进水质监测的装置和方法。
本发明的再另一个目的为提供用于水中甚至非常少量的微生物污染的改进的监测的装置和方法。
本发明的另一个目的为提供具有保持高水平的效率、安全性和水安全的实时质量控制的水处理方法。
本发明的另一个目的为提供用于监测在水分配体系中流动的水的质量的方法，其中水样结合污染的出现被捕获。
本发明的另一个目的为提供用于监测水的质量的方法，其中水的取样通过检测水中污染物的存在来触发。
因此，根据第一方面，提供了用于监测在管道中流动的水的质量的方法，做法是，
(i) 使水流从管道转向到激光颗粒计数器中，所述激光颗粒计数器连续地对转向水流中在粒径间隔内的颗粒计数，以便确定对于每个时间每体积水在所述粒径间隔内的颗粒数目，
- 将与每体积在管道中流动的水的颗粒数目的先前确定的参考值相比较；和
- 当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，从管道中取水的样品，
(ii) 使水流从管道转向到单元中，所述单元将流分成在粒径间隔内的较高颗粒浓度的级分和在所述粒径间隔内的较低颗粒浓度的级分，和
- 当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，取所述级分中的至少一种的样品；和
(iii) 当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，发送报警信号。
所述报警信号例如可为发往计算机或移动电话的电信号。
一个优选的实施方案包括，当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，往管道中的水流中加入臭氧。例如可通过下述方法添加，让管道中的水流通过罐或室，臭氧也允许进入该罐或室内，并且在适合的处理时间后让水从罐中离开。
被计数器计数的粒径的范围通常为约0.1 µm到至多100 µm。在一个实施方案中，颗粒计数器连续地对在例如0.5-3µm的粒径间隔内的颗粒计数以提供每体积水在所述粒径间隔内的颗粒数。该实施方案优选包括，当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，取过滤单元的渗透物流的样品。
在一个实施方案中，颗粒计数器连续地对在例如3-25 µm的粒径间隔内的颗粒计数以提供每体积水在所述粒径间隔内的颗粒数。该实施方案优选包括，当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，取过滤单元的浓缩物流的样品。
优选对取出的样品进行一个或多个物理、化学、生化或微生物分析。
一个实施方案还包括连续地测定水流的至少一个其他的物理或化学参数，例如选自以下的参数：水中的溶解固体、溶解氧、pH、电导率、温度和浊度。
附图简述
图1为本发明的水监测体系的示意图。
图2为本发明的在线臭氧水处理体系的示意图。
图3图示了在24小时时段测得的颗粒计数。“粒群1(Cluster 1)”对应于测得的在1-3 µm的小粒径范围内的颗粒，且“粒群2(Cluster 2)”对应于测得的在3-25 µm的大粒径范围内的颗粒。
发明详述
本发明的方法包括使水流从管道转向到颗粒计数器中，所述颗粒计数器连续地对转向水流中在粒径间隔内的颗粒计数，以便连续地提供关于每体积水在所述粒径间隔内的颗粒数目的信息。
从管道中流动的水转向的水流的流速例如为5 l/min-10 l/min。在任何适合位置使水流从管道转向。例如，如果水为待通过出口排放到接收器中的废水，则在出口上游的任何位置处应当使水流转向。
转向流的至少一部分通过激光颗粒计数器，在此对水流中存在的颗粒进行连续计数。激光颗粒计数器可为任何常规的液相颗粒计数器，例如在波长330- 870 nm内工作的激光计数器，例如购自HACH LANGE, MetOne的WPC-21和其他。
被计数的颗粒通常具有在0.1 µm-100 µm (例如0.2µm-50 µm，或0.5 µm-25 µm)范围的粒径，例如通常对应于微生物污染物(例如病毒、细菌和原生动物寄生虫)以及对应于小颗粒无机和有机物质(例如药物残留)的粒径间隔。在该群组中，细菌和病毒通常处于小尺寸端，而寄生虫通常处于大尺寸端。因此，在0.1-5 µm的粒径间隔内(例如在0.2-5 µm的粒径间隔内，或在0.5-3 µm的粒径间隔内)的颗粒计数将表明水中存在病毒和细菌，且还可表明存在药物残留。另一方面，在3-100 µm的粒径间隔内或在3-50 µm的粒径间隔内，例如3-25 µm，例如5-100 µm，或5-50 µm，例如5-25 µm，或10-100 µm，例如10-50 µm，或10-25µm，将表明水中存在寄生虫，并且还可表明存在药物残留。药物残留可为颗粒药物残留和连接于微生物颗粒的药物物质二者。
因此，在一个实施方案中，连续地对在通常对应于病毒和细菌尺寸的粒径间隔内的颗粒计数，例如粒径间隔为约0.1 µm-约5 µm，或约0.2 µm-约5 µm，例如约0.5 µm-约3 µm；例如从约0.1 µm、或从约0.2 µm、或从约0.3 µm、或从约0.4 µm、或从约0.5 µm至约5 µm、或至约4 µm、或至约3 µm、或至约2 µm，以便连续地提供关于每体积水在所述粒径间隔内的颗粒数目的信息。
此外，在一个实施方案中，连续地对在通常对应于微生物寄生虫尺寸的粒径间隔内的颗粒计数，例如粒径间隔为约3 µm-约100 µm，或约3 µm-约50 µm，例如约3 µm-约25µm，例如从约3 µm、或从约4 µm、或从约5 µm、或从约6 µm、或从约8 µm、或从约10 µm至约100 µm、或至约80 µm、或至约50 µm或至约25 µm，以便连续地提供关于每体积水在所述粒径间隔内的颗粒数目的信息。
优选对在粒径间隔S 1 和S 2 内或在这两者内的颗粒进行计数。在一些实施方案中，可对在不同粒径间隔内的颗粒进行计数，例如任何上述间隔的子间隔，或对应于微生物污染或其他颗粒污染的任何其他间隔。
在本发明的方法中，将在所给定尺寸间隔S n 内的颗粒数目连续地与在管道中流动的每体积水在该尺寸间隔内的颗粒数目的预定参考值相比较。
优选确定每种类型设置(setting)和水的值，且值可为例如通过对在预备时间期间(例如1小时、10小时、1天或甚至1周或更长)从管道转向的水流中在粒径间隔S n 内的颗粒进行计数所获得的值，籍此获得颗粒计数的平均值或“基线”值以及表明围绕该平均值的正常波动幅度，使得能够计算围绕平均值的高斯分布(Gaussian distribution)。
可有规律地重复的确定，例如一天一次、一周一次、一月一次或一年一次或以任何其他所选择的时间间隔，或者由于任何条件(例如环境条件或水处理方法等)的变化在认为必要时。
确定的其他方法是可以想到的并且认为在本领域普通技术人员的范围内。例如，在一些实施方案中，作为在时间之前的一个时段期间测得的在粒径间隔内的颗粒计数的平均值被连续地确定。
在本发明的方法中，当超过预定阈值()持续多于预定时间长度(“阈值时间”)时，取水样。非常有利的是，当上述条件满足时，自动触发取样。优选使用围绕的高斯分布来选择。例如，为了选择适合的，可计算与相关的标准偏差，且可作为的函数选择，即，其中q可为例如1-10的数，例如1.5-5，或2-4。然而，应当认识到，(以及本文所提到的任何其他阈值)还可通过任何其他适合的方法选择，例如通过先前的经验，通过研究特定设定中一段时间的变化幅度，或者作为的预定因子，例如2-1000的因子，或4-500的因子，或5-200的因子，或10-100的因子，或20-50的因子。
应当认识到，颗粒计数将经历正常波动，并且以非规律的间隔，会产生短时尖峰信号。因此，为了避免“假阳性”，优选仅当已经超过预定阈值持续多于预定时间长度(例如5秒-1小时；例如约10秒-0.5小时；或0.5分钟-10分钟；或1分钟-5分钟)时才应当触发水的取样。
在某些实施方案中，对于任何一个粒径间隔针对相应的阈值时间选择数个阈值，在此较高的阈值与较短的阈值时间相关。例如，对于阈值可选择相应的阈值时间，使得。
优选地，只要颗粒计数保持高于预定阈值，将重复取样，该预定阈值可与相同或不同。例如，可重复取样至少直到颗粒计数已经返回低于的值，其中例如为0.5、1、1.5或2。
在所选位置取水样，以便获得代表在管道中流动的水的样品。在本发明的一些实施方案中，从管道中直接取出水样。例如，可使用基于模块的取样器取出水样，这些模块包括多个灭菌样品瓶，例如4个灭菌的样品瓶。取样和样品保存优选按照水取样的标准方法进行，例如相关的ASTM标准。
在例如5-60秒或120秒的污染时间或更长的时间期间，收集水样直到颗粒计数达到预定阈值，并任选还直到任何其他测得的参数达到预定阈值。例如，每小时可收集6个样品，持续认为必要的时间长度，或持续达到任何阈值的时间长度。这使得分析结果更具有统计学意义和更好的置信度。
本发明的方法还包括使水流从管道转向到单元中，该单元将流分成在粒径间隔内的较高颗粒浓度的级分和在所述粒径间隔内的较低颗粒浓度的级分，和当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，取所述级分中的至少一种的样品。
和可以与和相同的方式采用先前所确定的参考值并与颗粒计数的高斯分布结合来选择。在一些实施方案中，和与和相同。
在一些实施方案中，从在粒径间隔内的较高颗粒浓度的级分取样。在一些实施方案中，从在粒径间隔内的较低颗粒浓度的级分取样。
将流分成在粒径间隔内的较高颗粒浓度的级分和较低颗粒浓度的级分的单元或装置例如可为过滤单元或离心机。
例如，所述方法包括使水流从管道转向到过滤单元中，所述过滤单元过滤水以提供渗透物流和浓缩物流，和当超过预定阈值持续多于预定时间长度时取渗透物流和浓缩物流中至少一种的样品。
在某些实施方案中，从浓缩物流取样。在一些其他实施方案中，从渗透物流取样。
过滤单元例如可为常规陶瓷滤水器，例如由Doulton USA销售的过滤柱。
通过选择具有适合的截留孔径的过滤单元，例如截留孔径为约3 µm，可获取两种级分，即，包含大于截留尺寸的颗粒的第一级分，例如原生动物寄生虫如隐孢子虫(Cryptosporidium)或贾第鞭毛虫(Giardia)的第一级分，和包含小于截留尺寸的颗粒的第二级分，例如细菌、病毒和颗粒药物残留。可从两级分中的任一个取样，但是优选从两种级分中都取样。
例如，用于浓缩小体积至中体积(例如50 ml-10 l)样品的适合体系由膜毛细管、压力表、陶瓷膜组件和罐组成。用泵驱使收集在罐中的水样通过膜组件中的膜并再循环回到罐。通过该错流陶瓷膜过滤，获得两种级分，一种为渗透物，另一种为浓缩物。
在一些实施方案中，至少一种级分(例如浓缩物)经历光学监测、PCR分析或常规培养。在一些实施方案中，转向到陶瓷过滤单元的流在其中再循环，以获得浓缩效果，且以规律的间隔从该再循环流体中取样，例如只要颗粒计数达到阈值如。这可能对于检测寄生虫的存在特别有用，寄生虫甚至在非常低的浓度下也是病原性的，即具有非常低的感染剂量，例如隐孢子虫(Cryptosporidium)或贾第鞭毛虫(Giardia)。
在本发明的方法中取出的样品可直接进行分析或贮存以用于后面的分析。贮存以用于后面的分析的样品优选保持在低温下(例如低于8℃的温度，例如4-6℃)至少直到分析时间。
样品的分析可通过用于分析水的任何微生物、生物化学、化学或物理方法进行，这点对于本领域普通技术人员而言是众所周知的，例如通过根据ASTM的恰当水试验标准。
本发明的方法还包括，当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，自动发送警报信号。和可根据与和相同的原理选择，且在某些实施方案中，与和相同或与和相同。
警报信号优选为电信号，例如通过英特网发送到计算机或移动电话(如智能电话)的电信号。
在一些实施方案中，还在污染事件结束时发送警报，即，当在粒径间隔内的颗粒计数减少到阈值和低于阈值时。
可将其他事件与警报信号联系起来，例如中断管道中的水流或使水流偏移到例如纯化体系或到再循环环路或返回处理厂。
在一些实施方案中，所述方法包括，当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，将臭氧加入在管道中流动的水中。和可根据与和相同的方式选择，且在某些实施方案中，与和相同或与和相同。
只要超过预定阈值，该阈值可与相同或不同，往管道中流动的水中加入臭氧自动触发并优选将继续。
臭氧加入优选通过使管道中流动的水通过室或罐来实现，臭氧还可在颗粒计数所触发的信号出现时加入室或罐中。
在一些实施方案中，将每m3水约0.05 g、0.1 g、0.2 g、0.5 g、1 g或2 g或小于5 g的臭氧加入在管道中流动的水中以引起药物残留和其他化学物质(例如来自个人护理品的残留)以及水中存在的微生物的降解。在这样低的臭氧浓度下，业已发现，并无臭氧处理的有害副产物保留在水中，而总有机碳(T℃)和水的褪色可分别减少例如20%和50%。通过这样的臭氧处理，废水中的细菌计数可减少至零。
在一些实施方案中，在经处理的水中臭氧浓度为约0.05 ppm-约5 ppm，例如约0.05 ppm-约2 ppm，或约0.1 ppm-2约ppm。
5分钟至2小时(例如10分钟至1小时)的臭氧处理时间通常是足够的，但是如果认为合适，考虑例如污染水平，也可采用更短或更长的处理时间。
在一些实施方案中，通过加入臭氧对水进行连续处理，且加入水中的臭氧的量作为测得颗粒量的函数进行调节。例如，当低于时，加入少量例如0.01或0.02或0.05mg臭氧/m3水，当超过时，该量自动升高。
通常，认为远高于以上所述的臭氧浓度是必要的，以实现水中污染物例如药物残留的令人满意的破坏。相比之下，在本发明的一个非常有利的实施方案中，通过仅仅加入少量的臭氧，实现了令人吃惊的各种化学残留的有效破坏。这类化学残留可为任何来源的—药物杀虫剂、杀昆虫剂、个人护理品等。只有在废水已经经历了其他纯化处理步骤以去除否则会破坏加入臭氧的粗污染物之后通过往废水中加入臭氧实现了有效的破坏。
在一些实施方案中，使用在WO/2002/017975(参见上文)中描述的技术将臭氧加入水中，该文献的内容通过全文引用结合到本文中。特别是，该文献中描述的混合室和混合罐使臭氧和水非常有效地混合，这甚至进一步增加了臭氧在非常低的臭氧添加下在破坏水中不需要的残留物质中的效率。
在一些实施方案中，本发明的方法还包括
- 连续地测定水的至少一个其他物理或化学参数，
- 针对水的先前确定的参数将所述物理或化学参数的测定值P与参考值相比较，
- 当P不同于 超过预定阈值 持续多于预定时间长度t p 时，发送报警信号。
对于各个参数，可采用与确定相同的原理来确定，且阈值和阈值时间可按照上文针对和所述来选择。
可测定例如总溶解固体、ORP(氧化还原电位，Oxidation Reduction Potential)、溶解氧、pH、浊度、需氧量、电导率、温度或在管道中流动的水的任何其他参数，做法是，直接在线(在管道中)测定，或者通过从管道取样，或者使来自管道的一个或多个其他流转向，例如通过取样或在线分析导向颗粒计数器的流和/或导向分级单元的流。本领域普通技术人员非常能够选择适合的装置和用于进行所确定分析的方法，例如通过采用如ASTM标准方法中针对水分析所述的任何方法，参见例如http://www.astm.org/Standards/water-testing-standards.html#D19.24。
因此，本发明的监测体系优选还包括至少一种：
- 能够测定水流中范围为0-5000 ppm (mg/l)的总溶解固体的TDS(总溶解固体，totaldissolved solids)传感器；
- 在0-10 000 micro S范围内跟踪水中电导率的电导率传感器；和
- 用于测定水温的温度计。
在一些优选的实施方案中，所述体系包括所有三种传感器，这些传感器与水管连接并且将所测得值的所有信息用计算机处理并实时存储在数据库中。
如图1所示，本发明的一个实施方案为用于监测例如经处理的废水或源水(例如来自湖泊或河流的水)的流的体系，以及其中使用了这样的体系的方法。在该体系中，通过开/关阀/流动调节器2的方式将水从管1中流动的经处理的废水或源水中取出并使其流过预滤器单元3，随后流过开/关阀/流动调节器4。
在分配器单元(例如歧管5)中，将水流分成三个不同的流，分别通过开/关阀/流动调节器6、7和8。
流过阀6的水进入取样歧管9。歧管9，例如为Bürkert型，优选具有例如避免角落和细流(corners and threads)的内部设计，且内部材料例如由电抛光的不锈钢或惰性塑料材料制成。设计和材料的这种选择的主要优势在于，产生最少量的细菌生长和歧管内部的生物膜，否则通常会发生细菌生长和生物膜。歧管9甚至在操作条件下易于取出并清洁。例如，可使用包含浓度为约30-50 ppm的臭氧的气流或包含以0.3-0.5 mg/l的浓度溶解的臭氧的水流或食品药品领域所用的任何其他消毒手段(例如化学消毒)来清洁。
歧管9包括4个出口，即出口10a、10b、10c和出口/阀12。通过出口10a、10b和10c离开取样歧管9的水流入陶瓷过滤器单元11或流入不同的取样瓶(未示出)。在陶瓷过滤单元11中，水经陶瓷膜(未示出)过滤，以提供渗透物和浓缩物。开/关阀/流动调节器13允许从陶瓷膜取出渗透物的样品15，开/关阀/流动调节器14允许取出浓缩物的样品16。通过阀12离开取样歧管9的水排放到排水中。
通过阀7离开分配器5的水直接排放到排水中，而通过阀8离开分配器5的水进入监测器16，监测器16包含传感器/检测器和例如通过英特网与计算机18通信的通信体系(未示出)。监测器16的传感器/检测器允许确定水的各种参数，例如总溶解固体、各种粒径间隔的颗粒计数、总颗粒浓度、离子强度、pH、温度、TDS、溶解氧等。计算机18还可收集其他信息，例如来自不同机构的天气信息。通过阀17离开监视器16的水排放到排水。
在图1中示出的体系还可应用到例如市政分配管线中的饮用水中，在这种情况下可省去预滤器3。
在图1中所示的体系可为固定的或便携的(除了管道1，其通常不是体系的一部分)。
在本发明的用于监测水的方法中，从水管取出水样，例如如上文所述在来自颗粒计数器的信号处。在一个实施方案中，使用基于模块的取样器取出水样，所述取样器包括4个无菌的样品瓶和/或过滤器。所述瓶优选装有10 mg符合标准的硫代硫酸钠。所述取样器具有歧管，歧管位于取样器的顶部并与主要分配管线连接。5 l /min的连续流流过取样器，通常给掉(give away)新鲜的流动的水。
在歧管上，例如Bürkert型歧管上，安装4个电动阀，这些阀门具有在给定信号时开关的功能。开关信号来自继电器，当例如被SMS信息和/或来自可能站在旁边或高至数公里外的一个主体的直接远程命令触发时该继电器被激活。
所述歧管具有例如避免角落和细流的内部设计，且内部材料例如由电抛光的不锈钢或惰性塑料材料制成。该歧管的主要优势在于，产生最少量的细菌生长和歧管内部的生物膜，否则通常会发生细菌生长和生物膜。歧管甚至在操作条件下易于取出并清洁。例如，可使用包含浓度为约30-100 ppm的臭氧的气流或包含以0.3-0.5 mg/l的浓度溶解的臭氧的水流或食品药品领域所用的任何其他消毒手段(例如化学物质)来清洁。
取样器可放置于桌上或安装在墙上。多个这样的取样器可在分配网络的不同位置连接。℃
取样器优选应当包括冷却室，冷却室将温度保持在低温，例如4-6℃。
取样水例如可为100 ml、250 ml、500 ml、1000 ml或甚至10000 ml，并且，虽然取样优选以自动方式进行，但是也可能是手动取样。已经经历过滤/浓缩或未经历或过滤/浓缩的样品可例如通过孵育、PCR或光学荧光计数或生物化学方式进行分析。
例如，可分析取自从管道转向的任何流的样品(例如取自过滤单元的样品)和/或直接取自管道的样品中原生动物(例如隐孢子虫(Cryptosporidium)和/或贾第鞭毛虫(Giardia))的存在以及细菌(例如选自任一常用细菌污染指示物有机体，如大肠菌有机体，例如粪便大肠菌细菌)的存在。
本发明的体系优选还包含用于水的臭氧处理的装置。图2表示本发明的臭氧处理体系的示意性概述。在图2中，监视体系16接收从管道(未示出)转向的水，从该管道还有一个流转向到臭氧处理体系。所述体系包括臭氧发生器19，臭氧发生器接收来自氧气瓶20的氧并通过臭氧气体监视器21调节。在图2中所示出的情况中的水为经处理的废水，将该水运送到臭氧处理罐22中，往该罐内进料来自臭氧发生器19的臭氧。罐22装配有用来感知罐中的水位控制器和用来确定罐中的水压的压力表(M)。
过量的臭氧从罐22导向臭氧破坏器23。用泵24将经臭氧处理的水从罐22输送到监视器25中，监视器25测定剩余的臭氧。通过对经臭氧处理的水取样，可确定剩余污染物的水平(例如化学品或维生物颗粒的剩余量)。如果品质令人满意，则允许水从在(“臭氧精制水出口(Ozone polished water out)”))处从臭氧清洁体系离开。该水还可返回罐22以进行进一步的臭氧处理，例如如果取样表明剩余的污染物水平仍然太高。
本发明还在以下非限定性的实施例中进一步说明。
实施例1
5 l/min的流从在管道中流动的经处理的废水流转向到在330-870 nm的波长下工作的激光计数器中，以连续地对0.5-25 µm的粒径间隔的颗粒进行计数。使来自该管道的另一水流转向到陶瓷过滤单元中且分离成包含能够通过具有约5 µm的直径的过滤器孔的颗粒以及溶解物质的渗透物流，和包含未通过过滤器孔的颗粒的浓缩物流。
在时间t处，在0.5-3 µm小粒径范围内的颗粒计数突然增加并保持高于预选阈值1000个颗粒/l持续多于阈值时间1分钟。这触发了从渗透物流取200 ml样品。
该流中的颗粒计数保持高于1000个颗粒/ l持续1小时的时段，且随后返回低于该阈值的值。在该时段期间，总共从渗透物流收集5个另外的样品并贮存在5℃的温度下或分别进行微生物分析以确定大肠菌有机体的存在。
实施例2
5 l/min的流从在管道中流动的经处理的废水流转向到在330-870 nm的波长下工作的激光计数器中，以连续地对0.5-25 µm的粒径间隔的颗粒进行计数。使来自该管道的另一水流转向到陶瓷过滤单元中且分离成包含能够通过具有约5 µm的直径的过滤器孔的颗粒以及溶解物质的渗透物流，和包含未通过过滤器孔的颗粒的浓缩物流。
在时间t处，在0.5-3 µm小粒径范围内的颗粒计数突然增加并保持高于预选阈值10 000个颗粒/l持续多于阈值时间0.5分钟。这触发了从渗透物流采取200 ml样品、将报警信号发送给计算机、以及在颗粒计数器下游的臭氧处理罐中将臭氧加入到管道的废水中。在该罐中，废水用1 g臭氧/m3水处理。在3小时后，颗粒计数返回低于10 000个颗粒/l的值。又一个小时后，在该低粒径范围内的颗粒计数返回到低于1000个颗粒/l且臭氧加入被中断。在总计4小时期间，从渗透物流收集了总共20个样品并贮存在5℃的温度下或分别进行微生物分析以确定大肠菌有机体的存在。
实施例3
5 l/min的流从在管道中流动的经处理的废水流转向到在330-870 nm的波长下工作的激光计数器中，以连续地对0.5-25 µm的粒径间隔的颗粒进行计数。使来自该管道的另一水流转向到陶瓷过滤单元中且分离成包含能够通过具有约5 µm的直径的过滤器孔的颗粒以及溶解物质的渗透物流，和包含未通过过滤器孔的颗粒的浓缩物流。
在时间t处，在3-25 µm大粒径范围内的颗粒计数突然增加并保持高于预选阈值1000个颗粒/l持续多于阈值时间0.5分钟。这触发了从浓缩物流取200 ml样品、将报警信号发送给计算机、以及在颗粒计数器下游的臭氧处理罐中将臭氧加入到管道的废水中。在该罐中，废水用0.5 g臭氧/m3水处理。在2小时后，颗粒计数返回低于1000个颗粒/l的值。又一个小时后，在该大粒径范围内的颗粒计数返回到低于500个颗粒/l且臭氧加入被中断。
在总计3小时期间，从浓缩物流收集了总共9个样品并贮存在5℃的温度下或分别进行微生物分析以确定原生动物(例如贾第鞭毛虫(Giardia)和隐孢子虫(Cryptosporidium))的存在。
实施例4
在上述实施例1-3中，在臭氧处理罐上游的安装在废水管道上的传感器连续地测定管道中流动的水的溶解固体、溶解氧、pH、电导率、温度和浊度。
实施例5
在上述实施例1-4中，在臭氧处理罐下游的安装在废水管道上的传感器连续地测定管道中流动的水的溶解固体、溶解氧、pH、电导率、温度和浊度。
实施例6
如图2中概括地所示，将经处理的废水传送到臭氧处理罐中，其中使用如WO/2002/017975 (参见上文)中所描述的混合室以1g/m3水的水平加入臭氧。水在罐中的处理时间为5分钟。
确定在未经处理的样品(对照)和在臭氧处理后的水样(经处理的)中各种药物残留的浓度(即，药物的残留量)。结果列于表1中。
表1
*NSAID, 非甾体抗炎药。
如实施例6所示，本发明提供了一种非常有效的减少水中药物残留量的方法，该水不仅有来自化学和药物工业的水以及来自家庭的废水，还有用于饮用的自来水，而这些是日益增长的全球性问题。
因此，本发明还提供了用于处理在管道中流动的水的方法，做法是，使水与少量的臭氧(例如1-5 mg臭氧/m3水)接触一段时间(例如1分钟-2小时)，例如使用如在WO/2002/017975 (参见上文)中所描述的混合室。特别是，这种方法可用于减少在经处理的废水和市政用水中化学物质(例如药物化合物及其残留以及其他有机化合物)的残留量。
实施例7
如实施例6中所述对废水进行处理，且确定未经处理样品(对照)中和经臭氧处理后的水样(经臭氧处理的)中残留微生物、总溶解碳和在410nm处测得的颜色。结果列于表2中。
表2
实施例8
6 l/min的流从在管道中流动的经处理的废水流转向到在330-870 nm的波长下工作的激光计数器中，以连续地对在1-25 µm的粒径间隔的颗粒进行计数持续数天时间。
基于测定的值，确定在1-3 µm的小粒径范围内颗粒(Cluster 1)计数的参考值= 350个颗粒/ml和在3-25 µm的大粒径范围内颗粒(Cluster 2)计数的参考值＝100个颗粒/ml。
此外，选择用于取管道中流动的水的样品的阈值和、用于分别取渗透物流和浓缩物流的样品的阈值和、用于发送报警信号的阈值和以及用臭氧处理在管道中流动的水的阈值和以及相应的阈值时间、、、、、、和。
所选值示于下表3中。
表3
随后监视在管道中流动的水持续24小时。在图3中，示出了整个时段在每个时间测得的分别在小粒径范围内和在大粒径间隔内的每毫升的颗粒数和在该时段一旦超过了阈值，则触发警报信号的发送、渗透物流和浓缩物流的取样以及臭氧的加入。

Claims (11)

1.一种用于监测在管道中流动的水的质量的方法，做法是，
使水流从管道转向到激光颗粒计数器中，所述激光颗粒计数器连续地对转向水流中在粒径间隔内的颗粒计数，以便确定对于每个时间每体积水在所述粒径间隔内的颗粒数目，
- 将与每体积在管道中流动的水的颗粒数目的先前确定的参考值相比较；和
- 当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，从管道中取水的样品，和
当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，发送报警信号；
特征在于
使水流从管道转向到单元中，所述单元将流分成在粒径间隔内的较高颗粒浓度的级分和在粒径间隔内的较低颗粒浓度的级分，和
- 当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，取所述级分中的至少一种的样品。
2.权利要求1的方法，所述方法包括当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，往管道中流动的水中加入臭氧。
3.权利要求2的方法，其中在管道中流动的水与浓度为0.05-5 mg臭氧/m3水的臭氧接触5分钟-2小时。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中将流分成在粒径间隔内的较高颗粒浓度的级分和在粒径间隔内的较低颗粒浓度的级分的单元为将流分成渗透物流和浓缩物流的陶瓷膜过滤单元。
5.权利要求1-4中任一项的方法，其中连续地对在0.5-3µm的粒径间隔内的颗粒计数以提供每体积水在所述粒径间隔内的颗粒数。
6.权利要求5的方法，所述方法包括当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，取过滤单元的渗透物流的样品。
7.权利要求1-6中任一项的方法，其中连续地对在3-25 µm的粒径间隔内的颗粒计数以提供每体积水在所述粒径间隔内的颗粒数。
8.权利要求7的方法，所述方法包括当超过预定阈值持续多于预定时间长度时，取过滤单元的浓缩物流的样品。
9.权利要求1-8中任一项的方法，所述方法包括对取的水样进行至少一个化学、生物化学或微生物分析。
10.权利要求1-9中任一项的方法，所述方法包括
- 连续地测定水流的至少一个其他物理或化学参数，
- 将所述物理或化学参数的测定值P与水先前确定的参数的参考值相比较，
- 当P不同于超过预定阈值持续多于预定时间长度时，发送报警信号。
11.权利要求10的方法，其中所述参数选自总溶解固体、ORP(氧化还原电位)、溶解氧、pH、电导率、温度和浊度。
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