CN113993607A - 水采样浸入式探头 - Google Patents

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塞巴斯蒂安·戈尔茨
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Abstract

本发明涉及一种用于连续地过滤来自废水(14)的水样的水采样浸入式探头(50)。该水采样浸入式探头(50)包括：远侧粗过滤器(60)，其具有0.1mm至1.0mm的孔隙；近侧细过滤器(70)，其布置在粗过滤器(60)的下游，并且具有小于5.0μm的孔隙；和样品抽吸口(74)，其布置在细过滤器(70)的下游。粗过滤器(60)被布置成不接触细过滤器(70)。

Description

水采样浸入式探头
技术领域
本发明涉及一种用于连续地过滤来自废水的水样的水采样浸入式探头。
背景技术
固定式水采样浸入式探头被用作过程水分析设备的一部分，所述过程水分析设备用于分析水中的一种或多种分析物，例如是在作为废水处理设施的一部分的废水池中的废水中。
在DE 10 2004 037 226 B3中描述了典型的固定式水采样浸入式探头。该水采样浸入式探头设有两个单个的倾斜的过滤器膜，通过在膜的底部处提供气泡来间歇性地清洁该两个单个的倾斜的过滤器膜。气泡沿着过滤膜的表面上升，并且由此以机械的方式清洁该过滤膜的表面。然而，废水中的一些物质，诸如油和脂，附着在过滤膜的远侧表面处，并且不能通过上升的气泡从膜的过滤表面去除，从而最终导致膜过滤器变得堵塞。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在抵抗堵塞方面更具鲁棒性的改进的水采样浸入式探头。
该目的通过具有权利要求1的特征的水采样浸入式探头来解决。
用于连续地过滤来自废水的水样的水采样浸入式探头包括至少一对协作的过滤器，该过滤器对包括具有0.1mm至1.0mm的孔隙(porosity)的远侧粗过滤器和在该粗过滤器的下游的近侧细过滤器。细过滤器具有小于5.0μm的孔隙。粗过滤器和细过滤器彼此不接触或碰触，而是被布置成彼此相距一距离。
该对过滤器的两个过滤膜之间的距离避免了被粗过滤器截留或附着到该粗过滤器的外侧的物质直接接触细过滤器。因此，被远侧粗过滤器截留的油和油脂不会接触近侧细过滤器，从而使得该细过滤器被可靠地保护并且不会变得堵塞。设置细过滤器以用于仅过滤废水的相对细小的颗粒，从而可靠地避免细过滤器的机械损坏。
样品抽吸口设置在细过滤器的下游，使得经过滤的水样可以通过该样品抽吸口而被抽吸，并且可以被泵送至水分析装置，该水分析装置布置成远离所述水采样浸入式探头，例如布置在废水处理设施的中央控制站中。
水采样浸入式探头被布置成使得该水采样浸入式探头连续地浸入到水中，并且优选地不设有任何测量设备。
在该语境中，术语“远侧(distal)”是指：定向到浸入式探头的外侧并且指向废水。在该语境中，术语“近侧(proximal)”是指：定向到浸入式探头的抽吸侧。
水采样浸入式探头通常用在废水处理设施的初级池中，因此废水可能包含相对大的颗粒和元素，例如油、脂等。浸入式探头用于提取不含特定元素的水样，该水样被泵送至水分析装置，所述水分析装置分析例如磷酸盐和/或铵的量。
根据本发明的优选实施例，粗过滤器与细过滤器之间的空间限定通气室，该通气室设有至少一个通气口，通过该至少一个通气口可以将通气用空气吹入到通气室中。通气室是机械封闭的，使得通过通气口被吹入到通气室中的空气只能经由粗过滤器的细孔来离开该通气室。对通气室的通气产生气泡，该气泡沿着细过滤器的远侧表面上升。上升的气泡在细过滤器的表面处产生局部湍流，从而使得附着到远侧粗过滤器表面的小颗粒被携带远离过滤器表面，从而以机械的方式清洁细过滤器。
吹入到通气室中的空气只能通过粗过滤器从该粗过滤器的近端侧(proximalside)到该粗过滤器的远端侧(distal side)离开通气室，从而使得该粗过滤器被流过该粗过滤器的孔的空气以机械的方式清洁。流过粗过滤器的孔的空气去除和/或带走附着的颗粒，诸如油和/或脂，使其从粗过滤器表面回到废水中。
根据本发明的优选实施例，由不透空气的细过滤器膜限定细过滤器。由于细过滤器膜是不透气的，因此在通气室内可以产生相对高的空气压力，由此产生相对高的流体流速通过粗过滤器的孔，从而使得在粗过滤器的孔的远端侧处产生强大的湍流，该强大的湍流在粗过滤器膜处提供强大的机械清洁性能。
根据本发明的优选实施例，由自支撑的粗过滤器膜限定粗过滤器。不需要独立的/单独的(separate)结构去机械地支撑粗过滤器膜。
根据本发明的优选实施例，由具有亲脂性或亲油性表面的粗过滤器膜限定粗过滤器。油和脂附着在粗过滤器膜的亲脂性表面处，使得油和脂不会在近侧方向上经过粗过滤器膜。因此，没有油和脂能够接触对油和脂敏感的细过滤器膜。
根据本发明的优选实施例，在细过滤器的下游限定并设置抽吸室。样品抽吸口限定该抽吸室的出口。由于细过滤器是相对薄的且在机械方面敏感的，因此优选地由独立的/单独的(separate)刚性支撑体机械地支撑该细过滤器，所述刚性支撑体是能够透水的。整个抽吸室优选地填充有刚性支撑体。刚性支撑体与细过滤器膜接触，并且由此在该刚性支撑体的整个表面上支撑细过滤器膜。由于水样通过细过滤器膜被抽吸到抽吸室中，抽吸室中所存在的压力低于细过滤器膜的远端侧处的压力，从而使得细过滤器膜被推动抵靠于刚性支撑体，并且由此被刚性支撑体机械地支撑。由于支撑体是能够透水的，因此水样可以在没有任何实质性的流动阻挡的情况下从细过滤器膜通过支撑体流动到浸入式探头的样品抽吸口。
根据本发明的优选实施例，粗过滤器的粗过滤器膜是基本上平坦的和平面的(plane)。该粗过滤器的粗过滤器膜和细过滤器的平行的细过滤器膜优选地都是平坦的，并且彼此基本上平行地布置。粗过滤器膜的整体平面(general plane)、细过滤器膜的整体平面和所得到的通气室的整体平面平面更优选地相对于竖直方向以5°至80°的倾斜角倾斜，例如以10°到40°的倾斜角倾斜。过滤器倾斜的空间取向被设置为使得粗过滤器膜向下/靠下定向、而细过滤器膜向上/靠上定向。过滤膜之间的通气室在该通气室的底部处被通气，使得上升的气泡在细过滤器膜的整个高度上保持与该细过滤器膜的远端侧接触。
在本发明的可选的实施例中，粗过滤器膜和细过滤器膜在形状方面是大致圆柱/圆筒形的(cylindrical)，并且彼此同轴地布置。采样浸入式探头的总体形状优选为圆柱形的。浸入式探头的大致圆柱形的形状提供了“形状冗余度”，因为即使圆柱形的过滤膜的一部分被强烈地暴露于废水流并由此暴露于高负荷的附着到过滤膜的颗粒和物质，在该圆柱形的浸入式探头的背水侧总会存在较少暴露于废水流中的颗粒和物质的另一部分。通气室优选地也是大致圆柱/圆筒形的，通气口设置在通气室竖直方向上最低的区域处。如果圆柱形的通气室被竖直地定向，使得圆柱的纵向轴线竖直地定向，则通气口设置在底部圆环壁(其轴向地界定该圆柱形的通气室)处。优选地设置多个通气口。
大致圆柱形的浸入式探头的圆柱轴线更优选地相对于水平方向以10°至80°的倾斜角倾斜。过滤器倾斜的空间取向被实现为使得包括通气口的轴向端被定位成低于未设有通气口的轴向端。
根据本发明的第二方面，浸入式探头设有保护叉，该保护叉具有至少两个叉齿，即叉齿部或叉尖。保护叉设置在粗过滤器膜的外侧，但不一定直接接触该粗过滤器膜。两个相邻的叉齿相对于彼此的横向/侧向距离优选地在5mm与50mm之间。保护叉提供了对粗过滤器膜的抵挡大的废物/垃圾片(诸如具有柔性性质的片、层和箔)的宽网眼的外部屏蔽，否则这些废物/垃圾片可能会覆盖粗过滤器膜的大面积的远侧表面。
保护叉一般地是一个独立的发明，该保护叉可以与任何一种类型的水采样浸入式探头一起使用，甚至与只有一个单一过滤膜的水采样浸入式探头一起使用。
叉齿到粗过滤器的距离优选地在几毫米到几厘米的范围内，以便提供与粗过滤器膜相邻的废水层的连续交换。叉齿使得相对大的废物/垃圾片不能直接覆盖粗过滤器膜的远侧表面。
根据本发明的优选实施例，叉齿的自由端设置在流动的废水环境中的下游，和/或被设置成高于叉齿的封闭端。叉齿的自由端一般被定向和布置在废水流中的背水侧，使得叉齿的自由端不会刺入垃圾片。
根据本发明的优选实施例，封闭的叉齿端与临近的(next)上游流阻结构之间的距离为至少50mm。在该语境中，术语“上游”是指废水流或水流相对于静态的浸入式探头的方向。
临近的上游流阻结构例如可以是将浸入式探头保持在废水池内的适当位置的保持结构的弓部(bow)。临近的上游流阻结构与封闭的叉齿端之间的最小距离使得被卡在流阻结构处的相对大和柔性的废水垃圾片不会干扰并且不能封闭该叉齿之间的开放间隙。
保护叉的所有所描述的特征均属于独立发明的主题。
根据本发明的一般的概念，提供了一种用于连续地分析废水的水样的过程水分析设备。该分析设备包括根据浸入式探头权利要求中的任一项所述的水采样浸入式探头。分析设备还包括具有水分析装置的控制单元。水分析装置流体地连接到水采样浸入式探头的抽吸口，使得通过样品泵将水样从浸入式探头泵送到对水样进行分析的水分析装置。
附图说明
下面参考附图来描述本发明的两个实施例，在附图中：。
图1示意性地示出了过程水分析设备，该过程水分析设备包括设置在废水池中的大致平坦且平面的水采样浸入式探头的第一实施例，并且包括具有水分析装置的控制单元，所述水分析装置布置成远离该浸入式探头；
图2更详细地示出了图1的过程水分析设备；
图3示出了具有大致圆柱形形状的水采样浸入式探头的第二实施例；以及
图4示出了图3的水采样浸入式探头的横截面。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于连续地分析废水14的水样的过程水(process water)分析设备10。废水14通过池入口16连续地流入到初级废水池(primary wastewater tank)12中，并且通过池出口18连续地流出该废水池12，从而在废水池12内在入口16与出口18之间产生总体废水流20。设置过程水分析设备10以用于准连续地确定废水14的一种或多种分析物(例如，铵和/或磷酸盐)，并且该过程水分析设备10可以是废水处理设施的一部分。
过程水分析设备10基本上包括水采样浸入式探头50，该水采样浸入式探头50浸入到废水14中、并且被刚性的保持结构54保持和定位。浸入式探头50能够流体地并且电子地连接到陆地侧控制单元30，该陆地侧控制单元30包括样品泵34、通气用空气泵32和水分析装置36，该水分析装置36用于分析废水14的水样的一种或多种分析物。可选地，分析装置36可以被设置成远离控制单元30在废水处理设施的控制中心中，而具有泵32、34的控制单元30被定位成尽可能地靠近浸入式探头50。
图2更详细地示出了水采样浸入式探头50的第一实施例。浸入式探头50通常提供为平坦的、平面状的且矩形的本体，所述本体探头壳体52限定，该探头壳体52在该探头壳体52的远端侧限定了大致平面且矩形的探头开口56。探头开口56被远侧粗过滤器60封闭，该远侧粗过滤器60由具有约0.6mm的孔隙的粗过滤器膜62限定。粗过滤器膜62由不锈钢制成，是刚性的且是自支撑的，并且具有亲脂性或亲油性(lipophilic)表面。
细过滤器70设置在粗过滤器60的近侧。该细过滤器70由塑料的细过滤器膜72限定，该塑料的细过滤器膜72是基本上不透空气的并且具有50μm的标称孔隙。
细过滤器膜72和粗过滤器膜62彼此不接触或碰触，而是被设置成在过滤器60、70的整个平面上相对于彼此具有几毫米的恒定距离。介于粗过滤器60与细过滤器70之间的空间限定平面且矩形的通气室66，该通气室66没有填充任何固体物质。细过滤器膜72近侧的矩形且大致平面的空间限定了抽吸室76，该抽吸室76完全填充有独立的/单独的(separate)刚性支撑体77，该单独的刚性支撑体77能够机械地支撑细过滤器膜72。支撑体77是刚性的塑料体，其能够透过水和空气。
粗过滤器膜62和细过滤器膜72彼此基本上平行地布置。粗过滤器膜62的整体平面(general plane)和细过滤器膜72的整体平面相对于竖直方向V以约15°的倾斜角α倾斜。
在通气室66的底部处设置多个通气口64，通气气泡19通过这些通气口64进入通气室66，并且沿着细过滤器膜72的远侧表面向上上升。通气口64经由通气管63而提供通气用空气，该通气管63将通气口64与设置在控制单元30处的通气用空气泵32流体地连接。气泡19最终通过粗过滤器膜62的小孔离开通气室66，并且由此以机械的方式清洁粗过滤器膜62以去除附着到该粗过滤器膜62的远端侧的物质。
样品泵34可以，替代地，设置在浸入式探头50处。
细过滤器膜72的近侧的抽吸室76设有样品抽吸口74，经过滤的水样品通过该抽吸口74而被从抽吸室76吸出，并且通过设置在控制单元30处的样品泵34经由样品管线73而被泵送至控制单元30的水分析装置36。
过程水分析设备10一般间歇性地工作，使得样品抽吸和分析期段之后是通气期段，该通气期段之后是样品抽吸和分析期段，等等。通过以交替方式工作的两个浸入式探头，可以实现几乎连续的样品流和分析。
图3和图4示出了水采样浸入式探头50′的第二实施例，该水采样浸入式探头50′不是被设计成大致平坦的，而是被设计成具有大致圆柱形的形状。图3和图4中的参考符号通常带有撇号，如果对应的部分和特征被不同地设计，但是具有与图2中所示的第一实施例的浸入式探头50相同的功能。
如图4中最佳可见的，浸入式探头50′的大致圆柱形的概念导致大致圆柱形的粗过滤器60′(其具有圆柱形的粗过滤器膜62′)、大致圆柱形的细过滤器70′(其具有圆柱形的细过滤器膜72′)、大致圆柱形且环状的通气室66′、和大致圆柱形的抽吸室76′(其具有大致圆柱形的支撑体77′)。
浸入式探头50′在通气室66′的环状的圆筒底壁处设有多个通气口64′。在近侧抽吸室表面处设置有四个样品抽吸口74′，水样从此处流动至样品管线73。
如在图3中可以看出的，大致圆柱形的浸入式探头50′的圆柱轴线51相对于水平方向H以约20°的倾斜角α′倾斜。
浸入式探头50′设有大致圆筒形/圆柱形的保护叉80，该大致圆柱形的保护叉80具有六个叉齿90，该六个叉齿90围绕该浸入式探头50′，特别是围绕粗过滤器膜72′。叉齿90总体上彼此平行地设置，并且由叉齿90限定的圆筒与圆柱形的浸入式探头50′同轴地设置。叉齿90在其整个长度上具有基本上恒定的横截面。
包括保护叉80的浸入式探头50′的取向被选择成使得叉齿90的自由端91相对于废水池12中的废水流20在背水侧。叉齿90相对于彼此的横向距离D为约20mm。叉齿90的封闭端81被设置成与临近的上游流阻结构83相距约50mm的距离X。在这种情况下，流阻结构83是探头保持结构54′的弓形肩部，在该实施例中，该探头保持结构54′的横截面是大致圆柱形的，并且具有与保护叉80的圆柱形的叉基部82相同的直径。

Claims (15)

1.一种水采样浸入式探头(50；50′)，所述水采样浸入式探头用于连续地过滤来自废水(14)的水样，所述水采样浸入式探头包括：
远侧粗过滤器(60；60′)，所述远侧粗过滤器包括0.1mm至1.0mm的孔隙；
近侧细过滤器(70；70′)，所述近侧细过滤器布置在所述远侧粗过滤器(60；60′)的下游，所述近侧细过滤器(70；70′)包括小于5.0μm的孔隙，所述远侧粗过滤器(60；60′)和所述近侧细过滤器(70；70′)被布置成彼此不接触；和
样品抽吸口(74；74′)，所述样品抽吸口布置在所述近侧细过滤器(70；70′)的下游。
2.根据权利要求1所述的水采样浸入式探头(50；50′)，其中，所述远侧粗过滤器(60；60′)与所述近侧细过滤器(70；70′)之间的空间限定通气室(66；66′)，所述通气室包括至少一个通气口(64；64′)，通过所述至少一个通气口能够将通气用空气吹入到所述通气室(66；66′)中。
3.根据前述权利要求中任一项所述的水采样浸入式探头(50；50′)，其中，所述近侧细过滤器(70；70′)由不透空气的细过滤器膜(72；72′)限定。
4.根据前述权利要求中任一项所述的水采样浸入式探头(50；50′)，其中，所述远侧粗过滤器(60；60′)由自支撑的粗过滤器膜(62；62′)限定。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的水采样浸入式探头(50；50′)，其中，所述远侧粗过滤器(60；60′)由粗过滤器膜(62；62′)限定，所述粗过滤器膜具有以下特性中的至少一者：是自支撑的和包括亲脂性表面。
6.根据前述权利要求中任一项所述的水采样浸入式探头(50；50′)，还包括：
抽吸室(76；76′)，所述抽吸室布置在所述近侧细过滤器(70；70′)的下游；和
单独的刚性支撑体(77；77′)，所述单独的刚性支撑体布置在所述抽吸室(76；76′)中，所述单独的刚性支撑体机械地支撑所述近侧细过滤器(70；70′)并且能够透过水。
7.根据前述权利要求中任一项所述的水采样浸入式探头(50)，其中，所述远侧粗过滤器(60)的所述粗过滤器膜(62)是基本上平坦的。
8.根据权利要求7所述的水采样浸入式探头(50)，其中，
所述粗过滤器(60)的所述粗过滤器膜(62)和所述细过滤器(70)的所述细过滤器膜(72)每一个都是平坦的，并且彼此基本上平行地布置，并且
所述粗过滤器膜(62)、所述细过滤器膜(72)和所获得的通气室(66)中的每一个的整体平面相对于竖直方向(V)以5°至80°的倾斜角(a)倾斜，并且更优选地，以10°至40°的倾斜角(a)倾斜。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的水采样浸入式探头(50′)，其中，所述粗过滤器膜(62′)和所述细过滤器膜(72′)的每一个总体为圆柱形，并且相对于彼此同轴地布置。
10.根据权利要求9所述的水采样浸入式探头(50′)，其中，
所述通气室(66′)总体是圆柱形的，并且
所述通气口(64′)布置在所述通气室(66′)竖直方向上的最低区域处。
11.根据权利要求9或10所述的水采样浸入式探头(50′)，其中，
所述水采样浸入式探头(50′)总体是圆柱形的，并且包括圆柱轴线(51)，并且
所述浸入式探头(50′)的所述圆柱轴线(51)相对于水平方向(H)以10°至80°的倾斜角(A′)倾斜。
12.根据前述权利要求中任一项所述的水采样浸入式探头(50′)，还包括：
保护叉(80)，所述保护叉包括至少两个叉齿(90)，所述保护叉(80)布置在所述粗过滤器膜(62′)的远侧处并且在所述粗过滤器膜的外侧，
其中，所述至少两个叉齿(90)中的相邻的两个叉齿的横向齿距(D)为5mm至50mm。
13.根据权利要求12所述的水采样浸入式探头(50′)，其中，
所述至少两个叉齿中的每个叉齿包括自由端(91)和至少一个封闭端(81)，以及
所述至少两个叉齿中的每个叉齿的所述自由端(91)在流动的废水(14)的方向上布置在下游，和/或
所述至少两个叉齿中的每个叉齿的所述自由端(91)在所述流动的废水(14)的方向上被布置成高于所述至少两个叉齿(90)的所述至少一个封闭端(81)。
14.根据权利要求12或13所述的水采样浸入式探头(50′)，还包括：
临近的上游流阻结构(83)，
其中，所述至少两个叉齿(90)的所述至少一个封闭端(81)与所述临近的上游流阻结构(83)之间的距离(X)为至少50mm。
15.一种用于连续地分析废水(14)的水样的过程水分析设备(10)，所述过程水分析设备(10)包括：
根据前述权利要求中任一项所述的水采样浸入式探头(50；50′)；
控制单元(30)，所述控制单元包括样品泵(34)；和
水分析装置(36)，
其中，所述水分析装置(36)流体地连接到所述样品抽吸口(74；74′)，从而水样被所述样品泵(34)从所述水采样浸入式探头(50；50′)泵送至所述水分析装置(36)。
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