CZ20022214A3

CZ20022214A3 - Způsob a zařízení pro dekontaminaci tekutin pomocí ultrafialového záření

Info

Publication number: CZ20022214A3
Application number: CZ20022214A
Authority: CZ
Inventors: Robert M. Lantis
Original assignee: Lightstream Technologies, Inc.
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2003-03-12
Also published as: WO2001029535A1; CA2395801C; CA2395801A1; EP1242806A4; PE20010872A1; AR026212A1; EP1242806A1; US6264836B1; AU772315B2; PL356670A1; AU1094901A; HUP0203846A2; TW512228B; CN1226610C; CN1413297A

Description

Způsob a zařízení pro dekontaminaci tekutin pomocí ultrafialového záření

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu a zařízení pro dekontaminaci tekutin. Konkrétněji, vynález se týká způsobu a zařízení pro dekontaminaci tekutin, zejména odpadní vody, pomocí proměnlivého impulzního ultrafialového (UV) záření.

Dosavadní stav techniky

Dostupnost levné použitelné vody se v tomto století velmi snížila, a s růstem populace a znečištění je možno očekávat dramatický nárůst důležitosti vodních zdrojů. Průmysl a vlády všude na světě se musí vyrovnat s požadavky a náklady na zajištění moderních zařízení na úpravu odpadní vody, která splňují požadavky veřejnosti i přísná zákonná opatření nezbytná pro vytvoření čistšího životního prostředí. Globálně se potřeba ekonomického, z hlediska Životního prostředí akceptovatelného zpracování průmyslové odpadní vody rychle blíží krizovému stavu.

Odpadní voda (včetně průmyslové a komunální odpadní vody) často obsahuje kontaminanty jako například mikroorganismy a toxické organické sloučeniny, které se mohou projevit jako toxické v následném použití vody. Příklady mikroorganismů často se nacházejících v odpadní vodě zahrnují baktérie, spory, kvasinky nebo houby, řasy atd., včetně virů a bakteriofágů. Toxické organické sloučeniny nacházející se v odpadní vodě zahrnují např. kancerogenní aromatické sloučeniny a četné halogenové sloučeniny, zejména sloučeniny chloru, například chlorované • 000 » 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

0

fenoly atd.

Existují četné známé techniky pro desinfenkci odpadní vody, včetně použití chemických nebo fyzikálních činidel, mechanických prostředků a UV záření. Nej obvyklejší z těchto způsobů desinfekce je použití chemických činidel ve formě chloru. Ačkoliv desinfekce chlorem podstatně snížila četnost výskytu nemocí pocházejících z vody ve Spojených Státech po mnoho let, narůstající zájem o bezpečnost chloru a jeho účinek na životné prostředí podnítil provozovatele úprav odpadní vody vzít v úvahu jiné desinfekční postupy.

V současné době je nejperspektivnější alternativou k desinfekci chlorem desinfekce ultrafialovým (UV) zářením.

Chemické vazby v 0'rganických toxinech mohou být přerušeny fotodisociací účinkem UV záření. Konkrétní látka má charakteristickou fotodisociační křivku, která jí přísluší, specifikující energie a vlnové délky UV záření při kterých konkrétní látka podléhá fotodisociací. Pro efektivní fotodisociací je nezbytné, aby UV záření mělo konkrétní energii nebo energie, spadající do fotodisociační křivk látky, která je předmětem zájmu.

Pokud jde o mikroorganismy, k desinfekci dochází když UV světlo přichází do styku s molekulou kyseliny dezoxyribonukleové (DNA) mikroorganismu, která obsahuje genetickou informaci nezbytnou pro replikaci buňky. Záření způsobuje vznik dvojných vazeb mezi sousedními skupinami ve struktuře DNA, brání tak normální replikaci molekul DNA a tím deaktivuje mikroorganizmus.

Je také známo, že impulzní UV výbojky mohou produkovat vysoký výkon, účinný pro různé fotodisociační aplikace, včetně desinfekce a čištění tekutin.

Použití ultrafialového záření pro ničení mikroorganismů

0**00*· ··· · *··« · · ♦ 4 0·· • 0 00 00 000 0· ··

-3• 0 00 a/nebo pro vyvolání fotodisociace organických sloučenin v odpadní vodě je popsáno např. v patentech US 4 661 264 a

816 145 (oba Goudy, Jr.), 4 400 270 a 4 336 223 (oba

Hillman), 5 368 826 (Weltz a j .), 4 464 336 (Hiramoto),

230 792 (Sauska aj.) , 5 547 590 (Szabo), 5 900 211 (Dunn aj.), 1 670 217 (Scheidt), 2 338 388 (Whitman), 4 769 131 (Noll aj.), 5 504 335(maarschalkerweerd), 4 296 066 a

317 041 (oba Schenck), 5 768 853 (Bushnell aj.), 5 597 482 (Melyon), 5 322 569 (Titus a j .) , 5 536 395 (Kuennen aj . ) ,

915 161 (Adams) , 5 208 461 (Tipton), 5 364 645 (LagunasSolar aj .) , 5 925 885 (Clark aj .), 5 503 800 (Free), 3 485 576 (McRae a j .), 3 814 680 (Wood), 3 637 342 (Veloz),

924 139, 4 103 167 a 4 767 932 (oba Ellner), 4 204 956 (Flatow), 4 471 225 (Hillman), 4 621 195 (Larrson),

676 896 (Norton), 4 909 931 (Bibi), 5 624 573 (Wiesman),

626 768 (Ressler aj.}, 5 626 768 (Ressler aj.), 5 660 719 (Kurtz aj .), 5 725 757 (Binot), 5 738 780 (Markham),

757 205 (Latel aj.), 5 290 439 (buchwald), 5 925 970 (Beitzel), 4 230 571 (Dadd), 4 304 996 (Blades), a 5 480 562 (Lernelson). Viz také Legan, R.W., Ultraviolet Light Takés on CPI Role, Chemical Engineering, pp. 95-100 (22.1.1982).

Jiný zajímavý článek je Hanzon B.D. a Viglia Rudy, Just the Facts: UV Disinfection, Water Enviroment&Technology magazíne (listopad 1999), který se zde začleňuje odkazem.

V četných komerčních aplikacích je velmi žádoucí přivádět UV záření na cíl takovým způsobem, aby mělo ozařování vynikající účinnost a ekonomickou efektivnost, a to vždy a při všech požadovaných průtocích. Příliš vysoká dávka UV záření může představovat neakceptovatelnou ekonomickou zátěž, nedostatečné UV ozařování však může být nebezpečné.

Ideální systém pro desinfekci vody na bázi UV záření má četné výhodné vlastnosti. Například, ideální desinfekční «*»«·»· · · * · * • φ · β · φ · · · « φ • φφφ systém na bází UV záření umožňuje přesnou aplikaci požadované dávky UV záření v reálném čase, namísto občasné nebo trvalé aplikace, nezávisle na úrovni prostupu UV záření nebo na kolísání tlaku nebo průtoku.

Dále, ideální systém pro desinfekci vody na bázi UV záření může zvýšit stabilitu provozních parametrů. Například, tento systém poskytuje aktivní, v reálném čase řídící zpětnou vazbu zohledňující základní výstupní úroveň UV výbojky a vliv prostupu UV záření vodou a průtoku vody. Systém také poskytuje v reálném čase a v širokém rozmezí dynamickou odezvu pro nastavení výstupního výkonu UV záření a průtoku vody v odezvě na tuto zpětnou vazbu.

Ideální UV desinfekční systém také má automaticky kompenzační adaptabilitu na jakoukoliv degradaci jedné nebo více sekcí UV reaktoru použitých v systému, takže systém poskytuje v reálném čase aktivní odezvu na takovouto degradaci a zajišťuje stabilitu procesu, např. nepropouští nevyhovující vystupující vodu.

Ve snaze poskytnout zlepšené řízení parametrů dávky byly vyvinuty různé UV desinfekční systémy. Takovéto systémy jsou popsány např. v patentech US 4 317 041, 4 336 223, 5 144 146, 5 208 461, 5 364 645, 5 547 590 a 5 925 885. Nicméně takovéto konvenční systémy obecně nemají požadované charakteristiky diskutované výše v souvislosti s ideálním UV desinfekčním systémem. Nevýhody těchto systémů se mohou projevit v jedné nebo více dále diskutovaných oblastech.

Například, jednou nevýhodou obvyklých UV desinfekčních systémů je, že používají výbojky se spojitým zářením. Většina výbojek se spojitým zářením vyžaduje před uvedením do činnosti periodu zahřívání. Navíc, většina výbojek se spojitým zářením je nepříznivě ovlivňována častými cykly zapnuto-vypnuto, podle zkušenosti nadměrným usazováním • · «·· e * · · · · ······· · · · · » ··#· · * * · · · · ·· »9 99 ··· 99 99 povlaku, a nepracuje efektivně v širokém rozmezí výstupního výkonu.

Jinou nevýhodou je, že obvyklé UV desinfekční systémy využívají UV výbojky uspořádané ve velkých sestavách, které tvoří jediný reaktor. U takovéhoto uspořádání, kde výbojky tvoří jediný reaktor, rozsáhlé a náhodné odchylky intenzity UV záření jednotlivých zářičů mohou značně měnit dávku dodávanou v jednotlivých úsecích reaktoru. Ještě důležitější je, že přesné monitorování základní úrovně výstupního výkonu každé výbojky je nepraktické, protože každý zářič by vyžadoval zvláštní UV detektor. Výstupní výkon UV záření (a v důsledku toho i účinnost) . takovéhoto reaktoru může být jedině odhadován prostřednictvím oddělených zkušebních míst, které nereprezentují více než malý úsek reaktoru. Výkon jednotlivých výbojek není znám.

Další nevýhodou obvyklých UV desinfekčních systémů je použití pasivních zařízení pro regulaci průtoku (např. přepady, uzávěry, ventily a podobně) a spádový tok. V důsledku toho praktický pracovní rozsah takovéhoto systému představuje omezení dostupného průtoku reaktoru v systému použitého. Projektovým výpočtům dominují hydraulické ztráty, čímž omezují rozsah výkonu reaktoru. Nastavení průtoku se provádí poměrně pomalu, a změna průtoku v některém z reaktorů může vyvolat nepříznivé změny průtoku v sousedních reaktorech.

V důsledku výše diskutovaných nevýhod, obvyklé desinfekční systémy nejsou spolehlivě aktivní v reálném čase nebo nezávisle, avšak závisí na pomalých pasivních technikách monitorování a nadstavování provozních parametrů. Tyto systémy typicky vykazují velkou vzájemnou závislost množství reaktorů, které tvoří systém v průmyslovém měřítku. Přesné dávkování UV záření je omezeno možností nastavení parametrů systému které by byly potřebné pro optimální

-6• 44» • 44« · 4 · 4 4 4 4 ·« ·· ·« ··· 44 4* účinnost.

Požadavek na vyšší účinnost systému a nižší celkové a provozní náklady desinfekce vody a odpadní vody vyvolává nezbytnost zdokonalení proti těmto obvyklým UV desinfekčním systémům.

V souladu s tím, prvním cílem vynálezu je poskytnout spolehlivý a nákladově efektivní systém (tj. způsob a zařízení) pro nechemickou dekontaminaci vody (včetně odpadní vody).

Dalším cílem vynálezu je poskytnout dekontaminační systém na bázi UV záření, který umožňuje okamžitě nastavovat výstupní výkon UV reaktoru v širokých mezích, a tím okamžitě nastavovat dávku UV záření, je-li třeba.

Dalším cílem vynálezu je poskytnout dekontaminační systém na bázi UV záření, který využívá jediný zdroj UV světla v každém UV reaktoru, takže účinnost jediného zdroje UV světla konzistentně a přesně reprezentuje výkon celého reaktoru.

Ještě dalším cílem vynálezu je poskytnout dekontaminační systém na bázi UV záření, kde v každém UV reaktoru může být základní úroveň,výstupního výkonu zdroje UV světla přesně určena v kterémkoliv daném okamžiku, stejně jako aktuální prostup UV záření v reaktoru.

Ještě dalším cílem vynálezu je poskytnout dekontaminační systém na bázi UV záření, kde každý UV reaktor je schopný řízení průtoku vstupující vody reaktorem, může na povel okamžitě dosáhnout velmi širokého a přesného rozmezí provozu, vykazuje nulové hydraulické ztráty, přičemž každý UV reaktor je schopný výše uvedeného řízení nezávisle a bez interakce s ostatními UV reaktory v systému.

• 4 44 «·*··*· *4*4 4 • 44* 44 4 4444 y 44 44 44 444 »4 44

Dalším cílem vynálezu je poskytnout dekontaminační systém na bázi UV záření, který má monitorovací a zpětnovazební řídicí prostředky, které poskytují aktivní odezvu v reálném čase pro parametrickou optimalizaci systému, nezávisle na ostatních UV reaktorech tvořících systém.

Dalším cílem vynálezu je poskytnout dekontaminační systém na bázi UV záření, schopný přesné a spolehlivé optimalizace dávky UV záření v širokém rozmezí provozních podmínek, s nimiž je typicky třeba počítat v aplikacích fotodisociace pomocí UV záření v průmyslovém měřítku.

Tyto a další cíle jsou dosaženy pomocí předloženého vynálezu.

Podstata vynálezu

Vynález poskytuje dekontaminační systém na bázi UV záření, který ničí mikroorganismy a způsobuje fotodisociaci organických kontaminantů v tekutinách, jako například vodě a odpadní vodě. Dekontaminační systém podle vynálezu využívá proměnlivé ímpulzní UV záření v konfiguraci s automaticky poháněným čerpadlem, kde se zvlášť a v reálném čase nastavuje v každém reaktorovém modulu průtok tekutiny a výkon UV záření (průměrná intenzita a intenzita maxima) pro přizpůsobení širokému rozmezí různých podmínek vstupující tekutiny, Čímž se dosahuje kvality výstupní tekutiny požadované operátorem. Řízení procesu je na bázi zpětnovazební regulační smyčky založené na prostupu UV záření, a přesného aktivního a nezávislého nastavení každého UV reaktorového modulu, na rozdíl od poměrně pasivních a závislých regulačních technik používaných v mnoha obvyklých dekontaminačních systémech na bázi UV záření.

-8«φφφ

Φ φ φ φ · φ φ «φ φφ φφ φφφ φφ φφ

Konkrétně, předložený vynález poskytuje způsob a zařízení na bázi UV záření pro dekontaminaci tekutin, jako například vody a odpadní vody, kontaminovaných mikroorganismy a/nebo organickými sloučeninami citlivými na UV záření.

Zařízení podle vynálezu obsahuje:

(A) jediný UV reaktorový modul nebo množství UV reaktorových modulů, přičemž každý UV reaktorový modul sestává z (1) potrubí vstupující tekutiny, (2) čerpadla s měnitelnou rychlostí umístěného v potrubí vstupující tekutiny, přičemž čerpadlo je otáčitelné rychlostí určenou signálem řízení rychlosti čerpadla, (3) UV reaktoru umístěného na potrubí vstupující tekutiny za čerpadlem s měnitelnou rychlostí, přičemž UV reaktor má vnitřní komoru obsahující (i) reaktorový kanál navazující na potrubí vstupující tekutiny, přičemž reaktorový kanál má vstup a výstup, (ii) UV výbojku umístěnou v reaktorovém kanálu schopnou emitovat jeden nebo více pulzů ultrafialového světla majícího vlnovou délku v UVC pásmu, s výhodou od asi 200 do asi 300 nanometrů, přičemž výbojka emituje jeden nebo více pulzů o intenzitě a trvání pulzu určeném signálem řídícím výstupní výkon výbojky, a (iii) alespoň jeden detektor prostupu UV záření umístěný v reaktorovém kanálu tak, že měří prostup UV záření části proudu tekutiny procházející v blízkosti jeho umístění, přičemž detektor je schopen generovat výstupní signál indikující naměřený prostup UV záření, a • ··♦ « · ···· · · « · · · ^M *’ ·· ··* ·* (B) systémový řídicí modul nacházející se nezávislém elektrickém propojení s každým z UV reaktorových modulů, přičemž systémový řídicí modul je schopný generovat signál řízení rychlosti čerpadla a signál řízení výstupního výkonu výbojky, a přijímat výstupní signál prostupu UV záření, přičemž systémový řídicí modul je programovatelný pro generování přídavného signálu řízení rychlosti čerpadla a signálu řízení výstupního výkonu výbojky v odezvě na signál prostupu UV záření tak, že následující části proudu jsou vystaveny jednomu nebo více pulzům ultrafialového světla pro obdržení cílové dávky UV záření.

Podle výhodného vytvoření zařízení podle vynálezu každý

UV reaktorový modul dále obsahuje řídicí jednotku na bázi mikroprocesoru (např. programovatelný logický regulátor, (PLC), malý počítač, zvlášť vytvořenou logickou jednotku), která je v elektrickém spojení se systémovým řídícím modulem a s čerpadlem s měnitelnou rychlostí, UV výbojku a detektor prostupu UV záření reaktorovým modulem.

Způsob podle vynálezu zahrnuje kroky:

(1) uspořádání výše popsaného zařízení podle vynálezu, kde řídící modul je předprogramován pro vysílání prvního signálu řízení rychlosti čerpadla do čerpadla v každém UV reaktorovém modulu pro otáčení čerpadla rychlostí dostatečnou pro zajištění předem stanoveného prvního průtoku skrze potrubí vstupující tekutiny a reaktorový kanál, a dále je řídící modul předprogramován tak, že když proud tekutiny proudí skrze reaktorový kanál, řídící modul vysílá první signál řízení výstupního výkonu výbojky do UV výbojky v každém UV reaktorovém modulu pro aktivaci výbojky pro emitování jednoho nebo více pulzů ultrafialového světla o předem stanovené první intenzitě UV záření při předem stanovené době trvání pulzu, přičemž jeden nebo více pulzů ultrafialového světla má vlnovou délku v UV-C pásmu (což je t

- 10• · · ·· · · · · ♦ ·« ·· ·· ··· ·« ·* pás který vyvolává desinfekci mikroorganismů a fotodisociaci organických sloučenin), s výhodou v pásmu 200 až 300 nm, (2) vedení proudu tekutiny skrze potrubí vstupující tekutiny, přičemž proud prochází skrze potrubí vstupující tekutiny při předem stanoveném prvním průtoku, a (3) vedení proudu tekutiny skrze reaktorový kanál ze vstupu na výstup tak, že proud prochází v blízkosti UV výbojky a v blízkosti detektoru UV prostupu, přičemž proud protéká skrze kanál, část proudu je vystavena jednomu nebo více pulzům ultrafialového světla emitovaného UV výbojkou v odezvě na první signál řízení výstupního výkonu výbojky generovaný řídícím modulem, přičemž detektor UV prostupu měří UV prostup části proudu procházejícího v blízkosti detektoru a přenáší výstupní signál UV prostupu indikující naměřený UV prostup do řídícího modulu, přičemž řídící modul je předprogramován pro analýzu uvedeného signálu UV-prostupu pro stanovení, zda část proudu podrobená jednomu nebo více pulzům ultrafialového světla obdržela cílovou dávku UV záření, přičemž jestliže uvedená část proudu neobdržela cílovou dávku UV záření, řídící modul je předprogramován pro vyslání (i) druhého signálu řízení rychlosti čerpadla pro zajištění druhého průtoku v potrubí vstupující tekutiny a reaktorovém kanálu a/nebo (ii) druhého signálu řízení výstupního výkonu výbojky pro aktivování emise jednoho nebo více pulzů ultrafialového světla o druhé intenzitě UV záření a/nebo druhé době trvání pulzu, přičemž druhý průtok a/nebo druhá intenzita UV záření a/nebo druhá doba trvání pulzu jsou takové, že následující části proudu vystavené jednomu nebo více pulzům ultrafialového světla obdrží cílovou dávku UV záření.

Zařízení podle vynálezu může obsahovat jediný UV reaktor nebo množství UV reaktorových modulů. S výhodou zařízení obsahuje množství UV reaktorových modulů nacházejících se v paralelním nebo sériovém uspořádání, « 4|| · V · • ,· · 9 9 9 · · · · · · · . ] ] . ·· ·· «· ·♦· ·· ·· s výhodou v paralelním uspořádání.

Zařízení a způsob podle vynálezu poskytuje spolehlivý a nákladově efektivní systém pro provádění nechemické dekontaminace vody, odpadní vody a jiných tekutin kontaminovaných látkami citlivými vůči UV záření. Systémový řídící modul použitý podle vynálezu nastavuje zvlášť a v reálném čase průtok vody a/nebo výstupní výkon UV záření v každém reaktorovém modulu, pro přizpůsobení širokému rozmezí proměnlivých podmínek vstupující vody. Vytvoření zařízení podle vynálezu, které používá UV výbojky umístěné koaxiálně vzhledem k potrubí vstupující vody a k reaktorovému kanálu, dále zjednodušuje přivádění UV záření a poskytuje méně těžkopádný postup přesného výpočtu účinnosti.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 představuje schematické znázornění typického dekontaminačního systému na bázi UV záření podle dosavadního stavu techniky pro použití v průmyslovém měřítku, s vysokým prosazením.

Obr. 2 představuje schematické znázornění výhodného vytvoření systému pro dekontaminaci tekutin na bázi UV záření podle vynálezu.

Obr. 3 představuje schematické znázornění UV reaktorového modulu použitého v systému podle obr. 2.

Obr. 4 představuje schematické znázornění alternativního vytvoření UV reaktorového modulu znázorněného na obr. 3, přičemž v tomto alternativním provedení UV reaktorový modul dále zahrnuje programovatelnou logickou řídící jednotku na bázi mikroprocesoru.

- 12• 4 44* 4 4 4

4*4*44 «44* 4

444* «4 * 4 · 4 ·

4v 44 444 44 44

Příklady provedení vynálezu

Jak je uvedeno výše, vynález se týká způsobu a zařízení pro dekontaminaci tekutin za použití impulzního ultrafialového záření. Zpracovávané tekutiny jsou tekutiny kontaminované mikroorganismy a organickými sloučeninami citlivými vůči UV záření.

Termíny dekontaminovat, dekontaminační¹ dekontaminace se týkají podle vynálezu ničit fotodisociaci organických schopnosti způsobu a zařízení mikroorganismy a způsobovat sloučenin. Konkrétněji, výše uvedené termíny znamenají, že způsob a zařízení jsou schopné zabíjet nebo znemožňovat reprodukci alespoň podstatné části mikroorganismů nacházejících se ve zpracovávané tekutině, a schopné vyvolávat fotodisociaci alespoň podstatné části organických toxických sloučenin nacházejících se ve za vzniku používán, netoxických finálních termín dekontaminace zpracovávané tekutině, produktů. Jak je zde zahrnuje fotodisociaci i chemickou desinfekci

Termín kontaminovaná, jak je zde používán v souvislosti se zpracovávanou tekutinou znamená, že tekutina obsahuje nežádoucí množství mikroorganismů a/nebo organických sloučenin citlivých vůči UV záření.

Termín citlivé vůči UV záření, jak je zde používán v souvislosti s mikroorganismy a organickými sloučeninami kontaminujícími tekutinu znamená, že mikroorganismy jsou ničeny a organické sloučeniny podléhají fotodisociaci jsouli podrobeny UV záření.

Pro ilustraci bude vynález dále popsán v aplikaci na dekontaminaci odpadní vody. Je však třeba chápat, že předložený vynálezu může být použit pro dekontaminaci rozličných jiných tekutin.

- 13 • · · ·· Λ • · 9 · t · • · » * » ·· ·· *·· ·* ··

Předložený vynález používá výstupní spektra impulzních UV výbojek v různých kombinacích průměrné intenzity a intenzity maximálního výkonu. S výhodou mají impulzní výbojky používané podle vynálezu výstupní výkon v rozmezí daném faktorem 30 nebo více.

UV výbojky používané podle vynálezu jsou schopné emitovat pulzy ultrafialového světla krátkého trvání a vysoké intenzity. Impulzní, plynem plněné výbojky, jako jsou výbojky používané podle vynálezu, produkují širokopásmové záření při vybíjení pulzu elektrického proudu skrz výbojku, ionizují plyn a vytvářejí intenzivní vyšlehnutí ve spojité i čárové emisi v širokém pásu spektra. Takovéto výbojky typicky využívají inertní plyny jako xenon nebo krypton, které mají vysokou účinnost přeměny elektrické energie na světelnou energií. Použití jiných plynů nebo směsí plynů a plynných výbojových systémů je také možné a může být pro některé aplikace žádoucí.

Vhodné UV-výbojky a jejich příslušenství vyvolávající pulzy vhodné pro použití v rámci vynálezu jsou popsány například v patentech US 4 871 559, 4 910 942 a 5 034 235, které se zde odkazem zahrnují.

UV výbojky používané podle vynálezu jsou schopné emitovat ultrafialové záření mající vlnovou délku v oblasti UV-C, s výhodou asi 200 až asi 300 nanometrů. UV záření o této vlnové délce je zvláště efektivní při fotodisociaci, protože mikroorganismy vykazují v této oblasti maximální citlivost.

Všechny pulzy ultrafialového záření o vysoké intenzitě a krátké době trvání, emitované UV výbojkou při způsobu podle vynálezu, s výhodou mají intenzitu alespoň 0,01 Joulu na centimetr čtvereční, ještě výhodněji asi 0,01 až asi 50 J/cm². Každý pulz má s výhodou trvání asi 0,001 až asi 100

- 149 · ··· * · · 9 ·9 «

9· ·· ··« milisekund.

Rychlost opakování pulzů emisa záření je s výhodou asi 0,5 až asi 30 Hz.

Každá výbojka s výhodou poskytuje UV-C výstupní výkon v maximu pulzu asi 1 milion až asi 6 milionů wattů.

Každá UV výbojka je s výhodou umístěna ve vodotěsném ochranném pouzdru, jako například v trubici z křemenného skla transparentní pro UV záření. Pouzdro (Či plášť) samotné je chladné, takže je anorganické kontaminanty nepoškozují.

Reaktorové moduly mohou být vyrobeny z kovu odolného vůči UV záření, jako například nerezové oceli nebo materiálů odolných vůči UV-zářeni.

Přenosná, modulová konfigurace zařízení podle vynálezu s výhodou poskytuje v reálném čase aktivní, nezávislé a přesné nastavení, pomocí čerpadla, průtoku ke každému UV reaktorovému modulu, čímž se zařízení přizpůsobuje mimořádně širokému rozsahu podmínek vstupující vody s minimálním vlivem na infrastrukturu úpravny. Každý reaktorový modul zahrnuje integrální čerpadlo s měnitelnou rychlostí, s výhodou výtlačné čerpadlo které poskytuje přesnou indikaci průtoku v reálném čase. To umožňuje nejen schopnost přerušení průtoku, ale také průtok v rozmezí daném faktorem 15 nebo více. Tato technika je kombinována s okamžitým nastavením UV výkonu impulzní výbojky na výstupní výkon v rozmezí daném faktorem 30 nebo více. Při tomto způsobu průtok v žádném UV reaktorovém modulu nepůsobí fyzikálně žádnou změnu průtoku v některém jiném UV reaktorovém modulu. Příznivá změna proti dosavadnímu stavu techniky spočívá v tom, že žádný UV reaktorový modul v zařízení podle vynálezu nemusí nezbytně upravovat vlastní výkon kvůli změnám průtoku způsobeným některým jiným UV reaktorovým modulem. Všechny UV reaktorové moduly použité v zařízení • ·* podle vynálezu jsou tedy schopné nezávisle na sobě dosáhnout optimální dávky UV záření.

Monitorování a koordinace způsobu podle vynálezu je realizována inteligentním řídícím systémem (tj. řídícím modulem 28 na obr. 2 a 3, nebo kombinací řídícího modulu 28 a PLC jednotky 62 na obr. 4), který vypočítává optimální provozní schéma pro jakoukoliv kombinaci podmínek vstupující vody, provozních podmínek nezávislých UV reaktorových modulů a požadovaných podmínek vystupující vody. Řídící systém aktivně a nezávisle reguluje průtok nebo výstupní výkon UV záření nebo obojí ve všech UV reaktorových modulech.

Obr. 1 znázorňuje typický UV dekontaminační systém podle dosavadního stavu techniky.

Obr. 1 znázorňuje způsob dekontaminace vody pomocí UV záření podle dosavadního stavu techniky. Při tomto způsobu podle dosavadního stavu techniky je voda (neznázorněná), která má být upravena, shromažďována a dopravována pomocí kanálu či zásobníku 2. Se zásobníkem 2 je tekutinově propojeno množství potrubí £ vstupující vody. Dílčí proudy (neznázorněné) vody jsou vedeny skrze potrubí 4. vstupující vody v naznačených směrech. Potrubí 4 obsahuje přepady na bázi toku účinkem gravitace nebo ovládací uzávěry 6, které umožňují mechanické nastavení průtoku. Z potrubí 4 proudí dílčí proud vstupující vody ve znázorněném směru přes soustavu _8 UV výbojek. Po vystavení ultrafialovému záření emitovanému sestavou výbojek protékají výsledné dílčí proudy vystupující vody skrze potrubí 10 vystupující vody, která také obsahují přepady nebo ovládací uzávěry 6. Z potrubí 10 proudí dílčí proudy do kanálu vystupující vody nebo do zásobníku 12, kde mohou být dílčí proudy shromažďovány a odváděny. Čidla 16 průtoku jsou uspořádána v zásobníku 2_ vstupující vody, v sestavách 8 UV výbojek a v zásobníku 12. Zásobník 2 vstupující vody má čidlo 17 • 9

- 16• 9 9 99 « • 9 9 9 9 « • 9 9 9 φ

99 zákalu, uspořádané uvnitř něho. Způsob podle dosavadního stavu techniky, znázorněný na obr. 1, využívá řídící systém 18.

Nevýhodou systému podle dosavadního stavu techniky, znázorněného na obr. 1, je použití pasivních mechanických prostředků pro nastavení průtoku, tj. přepadů nebo ovládacích uzávěrů 6, které jsou často drahé, těžkopádné, pomalu se nastavují a mají omezenou kapacitu a/nebo nastavení. Tyto nastavovací prostředky zpravidla pracují ve spojení s nadbytečnými sestavami spojitých (tj. nikoliv impulzních) UV zářičů, které jsou buď ponechány in-line, nebo, je-li třeba, fyzicky odstraněny. Tento systém je typicky založen na spádovém toku, a následkem toho je velmi citlivý vůči hydraulickým tlakovým ztrátám. Navzdory teoretické kapacitě tohoto systému, praktická implementace ukázala velmi omezenou kapacitu pro změny průtoku. Každý pokus o úpravu nastavení průtoku v jedné soustavě zářičů, kanálu nebo rozdělovači, ať již nastavením výstupního výkonu a/nebo teploty zářiče, prostupu UV záření, úrovně obsahu kontaminantů nebo průtoku vstupující vody, může nepříznivě ovlivnit průtok a účinnost UV reaktorů v jiných větvích systému. Tato vzájemná závislost reaktorů dále omezuje dostupný pracovní rozsah. Zařízení, která využívají takovéto systémy, také vyžadují rozsáhlou konstrukci a modifikaci úpravny odpadní vody, s dlouhou dobou od projektu do spuštění provozu.

Jednodušší, rychlejší a spolehlivější systém, jaký průmysl potřebuje a jaký vynález poskytuje, je znázorněn na obr. 2 a 3.

Obr. 2 představuje výhodné provedení způsobu a zařízení pro dekontaminaci tekutin podle předloženého vynálezu.

Dekontaminačni zařízení 20 znázorněné na obr. 2

- 17• * · *« • · 4 • · · I • · ·· zahrnuje kanál vstupující vody nebo zásobník 22 pro shromažďování a/nebo dopravu vstupující tekutiny F, která se má dekontaminovat. S výhodou je v zásobníku 22 umístěno čidlo 24 úrovně tekutiny, které je připojeno k systémovému řídícímu modulu 28, sestávajícímu z mikroprocesoru s uloženým programem. Pokud jde o řídící modul 28, termín systémový znamená, že řídící modul vykonává řízení všech UV reaktorových modulů. Ve spojení s jednou stranou zásobníku 22 je potrubí 26 vstupující tekutiny, které vede proud F1 vstupující tekutiny F v naznačeném směru. Povely (signály) přenášené řídícím modulem 28 prostřednictvím řídícího obvodu 30 způsobují rozdělení proudu F1 tekutiny na dílčí proudy F2 tekutiny, které proudí z potrubí 26 do potrubí 26 vstupující tekutiny. Potrubí 32 vedou dílčí proudy 32 ve znázorněném směru do paralelního uspořádání nezávisle nastavitelných UV reaktorových modulů 34. Poznamenejme, že ačkoliv UV reaktorové moduly jsou uspořádány na obr. 2 v paralelním uspořádání, mohou být UV reaktorové moduly alternativně uspořádány v sériovém uspořádání.

UV reaktorové moduly 34 jsou regulovatelné navzájem nezávisle. Jak bude podrobněji diskutováno v souvislosti s obr. 3, dílčí proudy F2 se podrobují působení ultrafialových paprsků v UV reaktorových modulech 34, které zabíjejí mikroorganismy a/nebo vyvolávají fotodisociaci toxických organických sloučenin přítomných v dílčích proudech.

Jakmile je zpracování dílčích proudů F2 v UV reaktorových modulech 34 dokončeno, výsledné dekontaminované dílčí proudy E2 vytékají z modulu 34 ve znázorněném směru do potrubí 36 vystupující tekutiny. Dílčí proudy E2 vystupující tekutiny proudí skrze potrubí 36 do potrubí 38 vystupující tekutiny, kde se dílčí proudy vystupující tekutiny mohou • · · ·* * • · · * · » • · · · · ·· · ··

- 18··« ·« spojovat do jediného proudu El vystupující tekutiny. Je-li třeba, proud vystupující vody může být veden ve znázorněném směru do místa 40 shromažďování vystupující tekutiny, z něhož mohou může být vystupující tekutina E odebírána a odváděna podle potřeby.

Obr. 3 představuje v podrobnějším znázornění UV reaktorový modul 34, použitý v. zařízení podle obr. 2.

Jak je znázorněno na obr. 3, dílčí proud F2 vstupující tekutiny vstupuje do UV reaktorového modulu 34 potrubím 32 vstupující tekutiny v naznačeném směru. Dílčí proud F2 vstupuje do modulu 34 v souladu s velikostí průtoku, danou rychlostí otáčení integrálního, tzn. zabudovaného, čerpadla 42 s měnitelnou rychlostí. Rychlost otáčení čerpadla 42 je nastavena řídícím modulem 28 prostřednictvím řídícího obvodu

30. Řídící modul 28 přenáší příslušný povel rychlosti otáčení (tj. signál řízení rychlosti čerpadla) do čerpadla 42 prostřednictvím regulátoru 44 rychlosti čerpadla. Při rychlosti průtoku dané řídícím modulem 28 a realizované čerpadlem 42 prochází dílčí proud F2 skrze potrubí 46 ve znázorněném směru dovnitř komory 48 UV reaktoru 50. Uvnitř komory 48 UV reaktoru 50 je koaxiálně uspořádána impulzní lineární výbojka 52, která emituje pulzy ultrafialového světla v odpověď na povel (tj. signál řízení výstupního výkonu výbojky) vysílaný řídícím modulem 28 prostřednictvím řídícího obvodu 30 a ovladače 54 výbojky. Ovladač 54 výbojky obsahuje obvod vytvářející pulzy (neznázorněný) a zdroj energie (neznázorněný). Dílčí proud F2 vstupující tekutiny zaplňuje komoru 48 vně výbojky 52. ^Na vnitřní stěně 48a komory 48 se nachází jeden nebo více detektorů 56 prostupu UV záření, s výhodou orientovaných v poli přímého dopadu paprsků výbojky 52.

Na povel řídícího modulu 28 a pomocí konektoru 31 na rozhraní řídícího obvodu a reaktoru, ovladač 54 výbojky ·

- 19··· prostřednictvím svého obvodu vytvářejícího pulzy vytváří a vysílá do výbojky 52 krátké pulzy elektrické energie s vysokými maximy výkonu, které ionizují plyn (např. xenon), obsažený ve výbojce 52 za vzniku vysokoteplotní plazmy, která emituje pulzy UV záření. Tyto pulzy UV záření ozařují objem zaplněný tekutinou uvnitř komory 48 UV reaktoru 50. Část tohoto záření je absorbována složkami v dílčím proudu F2, jako suspendovanými pevnými látkami a rozpuštěnými pevnými látkami. Výsledný tok UV záření na detektor (detektory) 56 prostupu UV záření je zachycován rozhraním 58 detektoru, které vysílá příslušný signál do řídícího modulu 28 prostřednictvím řídícího obvodu 30. Řídící modul 28 analyzuje signál získaný z rozhraní 58 detektoru pomocí některé z několika použitelných metod diferenciálního měření, a vytváří tak data představující prostup UV záření v tom úseku dílčího proudu F2 vstupující tekutiny, ve kterém prochází tento jednotlivý pulz UV záření.

Tento jednotlivý pulz UV záření přitom ozařuje velké procento mikroorganismů a/nebo organických sloučenin. Na základě (i) objemu komory 48 UV reaktoru 50, (ii) známého maxima výkonu UV pulzu, a (iii) známého UV prostupu pro tento pulz, pak řídící modul 28 vypočítává dávku UV záření (v Joulechuv-c/m³) aplikovaného na komoru 48 v průběhu UV záření. Je třeba poznamenat, že dávka UV záření není časová dávka, ale diskrétní množství. Porovnáním této jednotlivé dávky UV záření s dávkou, která byla stanovena operátorem jako cílová dávka, pak řídící modul 28 vypočítává kolik impulzních dávek UV záření je třeba pro daný objem tekutiny a daný průtok, a tento proces pokračuje stejně pro každý pulz. V každém případě se provozní parametry nastavují jak je požadováno řídícím modulem 28.

Při průchodu dílčího proudu F2 komorou 48 UV reaktoru 50 obdrží dílčí proud dávku UV záření určenou operátorem,

-20♦ 0 ··« · · • · · · · » · A • · · · · · « ·· ·· ·· *·· ověřenou a řízenou řídícím modulem 28 . Výsledná dekontaminovaná vystupující voda E2 pak opouští komoru 48 UV reaktoru 50, a jak je diskutováno výše v souvislosti s obr. 2, vstupuje do potrubí 38 vystupující vody.

Výhodné provedení rozhraní 58 detektoru umožňuje použít v každém UV reaktorovém modulu 34 jeden nebo více pomocných detektorů 60 uspořádaných pro monitorování indikátoru organismů nebo sloučenin. S výhodou je detektor 60 uspořádán na vstupním (tj. protiproudém) konci komory 48 a druhý detektor 60 je uspořádán na výstupním (tj. poproudém) konci komory 48. Takovéto uspořádání (tj. uspořádání detekce vstupující-vystupující vody) detektorů 60 je zvláště výhodné tím, že poskytuje uzavřenou zpětnovazební smyčku, která může dále zvýšit přesnost a účinnost aplikací fotodisociace.

Jak je uvedeno výše v souvislosti s obr. 2, čidlo 24 úrovně tekutiny je s výhodou umístěno v zásobníku 22 vstupující tekutiny. Čidlo 24 úrovně předává informaci o změně úrovně tekutiny řídícímu modulu 28, který využívá tuto informaci k výpočtu požadovaného průtoku vstupující tekutiny daného spojenými průtoky UV reaktorovými moduly 34. V každém případě, řídící modul 28 zná spojený průtok dekontaminačním systémem, protože rychlost otáčení integrálního čerpadla 42 s měnitelnou rychlostí zabudovaného v každém reaktorovém modulu 34 nastavuje průtok příslušným reaktorovým modulem 34 a tato rychlost otáčení je nastavena řídícím modulem 28. Přenos dat mezi řídícím modulem 28 a reaktorovými moduly 34 je realizován po řídícím obvodu 30 a konektorem 31 rozhraní řídící obvod/reaktor.

Se stanoveným požadavkem na průtok, řídící modul 28 je ve styku s monitorem a analyzuje provozní podmínky pro každý reaktorový modul 34 a pak stanovuje optimální řídící nastavení pro každý reaktorový modul 34, který vytváří čistý celkový výkon požadovaný pro celý dekontaminační systém.

v >

-21 • tví

Faktory specifické pro reaktorový modul 34, které přispívají k této analýze, zahrnují: základní úroveň výstupního výkonu na pulz UV výbojky, filtrovanou úroveň výkonu UV záření na pulz UV výbojky, prostup UV záření vstupující vodou na poulz, dávku UV záření na pulz, frekvenci opakování pulzů, průtok skrze komoru 48 UV reaktoru 50, průměrnou dávku UV záření na reaktorový modul (Juv-c/m³) a varování, výstrahy a připravenost k provozu každého reaktorového modulu 34. Faktory specifické pro řídící modul 28., které přispívají k této analýze, zahrnují: požadovaný průtok systémem, požadovanou dávku UV záření pro vyhovění požadavku na dekontaminaci (Juv-c/m³) , výpočty a/nebo vyhledávací tabulky pro dekontaminační plánované parametry, místně specifická provozní kritéria, meze dekontaminačního systému, varování, výstrahy a postup připravení k provozu, ukládání historických provozních a servisních dat, a externí spojení pro monitorování, dálkové ovládání a servis.

V zařízení podle vynálezu, jestliže je některý reaktorový modul 34 v některém případě mimo stanovené meze, aparát může být bezprostředně a v reálném čase automaticky odpojen od výstupu zařízení, čímže je trvale zajištěn plně vyhovující provoz. Navíc, konstrukce zařízení podle vynálezu s nulovými hydraulickými ztrátami poskytuje nejen výhodu provozu tlakově izolovaného a spolehlivě nezávislého reaktorového modulu, ale také umožňuje, že celé UV dekontaminační zařízení v podstatě nepřispívá k hydraulickým ztrátám úpravny odpadní vody.

Obr. 4 znázorňuje výhodné provedení UV reaktorového modulu (modulů) použitého v rámci předloženého vynálezu. Podle tohoto provedení každý reaktorový modul 34 dále obsahuje mikroprocesorovou řídící jednotku 62 reaktoru. Řídící jednotka 62 reaktoru je uspořádána v elektrickém spojení se systémovým řídícím modulem 63 a s regulátorem 44

-22000 > · · 0 0« 4

I · » · · 1 ·« 00 ·0 · 0 1 • 0 00 čerpadla s proměnlivou rychlostí, ovladačem 54 výbojky a rozhraním 58 detektoru.

vyhodnocuje systému, a parametry přiřazené pro modulu 21· Podřízená mikroprocesorů v každém

Použití řídící jednotky 62 reaktoru přerozděluje některé důležité funkce mikroprocesoru a systémového řídícího modulu. Jak bylo uvedeno výše, za použití řídící jednotky reaktoru v každém reaktorovém modulu, může každý reaktorový modul provádět četná pro reaktor specifická monitorování a výpočty, a tím odlehčit 1/0 řídícímu obvodu a usnadnit tak časově náročné současné, pro reaktorové moduly specifické monitorování a výpočty prováděné řídícím systémem. Systémový řídící modul 63 používaný v provedení podle obr. 4 tedy provádí méně výpočtů než systémový řídící modul 28 použitý v provedení znázorněném na obr. 2 a 3. Vytvoření podle obr. 4 si ponechává také řídící modul 63 s hierarchicky nadřazenou systémovou kontrolou. Řídící modul 63 přijímá signály monitorování provozu reaktoru a výstražné signály ze všech nezávislých reaktorových modul 34, a určuje optimum parametrické konfigurace předává do každého reaktorového modulu 34 provoz příslušného reaktorového řídící jednotka 62 na bázi reaktorovém modulu 34 přijímá z řídícího modulu 63 parametrické řídící signály specificky přiřazené příslušným reaktorovým modulům 34, počítá a nastavuje dávku UV záření podle interně monitorovaných dat (prostup UV záření, výstupní výkon UV záření, průtok a podobně), monitoruje a v souladu s tím nastavuje, a hlásí výstup reaktoru zpět řídícímu modulu 63.

Protože způsob a zařízení pro dekontaminaci pomocí UV záření podle vynálezu je ideálně vhodný (avšak není omezen) na paralelní provoz reaktorových modulů, může být zařízení dimenzováno podle požadavků úpravny odpadní vody jednoduše volbou počtu identických, transportovatelných reaktorových * » « « ♦ · 9

-23• « » • · · · • · · · ♦ · ♦· modulů, které splňují tyto požadavky.

Jak již bylo diskutováno výše, dekontaminační zařízení podle vynálezu vytváří v reálném čase aktivní, nezávislé a přesné nastavení průtoku každým UV reaktorovým modulem, čímž se přizpůsobuje mimořádně širokému rozmezí podmínek vstupující vody a minimálním vlivem na infrastrukturu úpravny. Každý reaktorový modul zahrnuje integrální čerpadlo s měnitelnou rychlostí, takže průtok kterýmkoliv UV reaktorovým modulem nemá fyzikální vliv na průtok jiným UV reaktorovým, modulem. Na rozdíl od dekontaminačního zařízení znázorněného na obr. 1 tedy žádný z UV reaktorových modulů v zařízení podle vynálezu nezhoršuje svou vlastní účinnost v důsledku změn průtoku nastávajících v jiných UV reaktorových modulech. V důsledku toho, všechny UV reaktorové moduly použití v zařízení podle vynálezu jsou schopné nezávislého dosažení optimální dávky UV záření.

Ačkoliv v oboru spojitých zdrojů záření nepanuje shoda pokud jde o způsob počítání dávky UV záření, jako nej vhodnější se ukázalo vyjadřovat dávku UV záření jako průměrný tok násobený dobou expozice (v sekundách). Většina autorů používá jednotky mW.s/cm² (miliwatsekunda na centimetr čtvereční). Toto nej jednodušší vyjádření představuje rovnice (I)

D=I.t kde

D = dávka UV záření, mW.s/cm²

I = průměrná intenzita germícidní UV energie, mW.s/cm²t = doba expozice v sekundách

Aktuální tok UV záření v typickém reaktoru s více spojitými zdroji záření je výsledkem velmi složitého výpočtu, a navíc vedle zahrnutí variability hydraulického průtoku, zpravidla zahrnuje aproximaci součtem přes více ···

-24bodových zdrojů pro zohlednění značného kolísání výstupního výkonu UV záření přes objem reaktoru. Intenzita záření pole kolem hypotetického bodového zdroje podél osy CW zářiče může být popsána rovnicí (II)

kde r,z = radiální resp. podélná souřadnice v cylindrickém systému souřadnic s počátkem osy souřadnic na ose jednoho konce

I(r,z)i = intenzita v místě (r,z) příslušejícím 1. bodovému zdroj i

P = výstupní výkon zářiče n = počet bodových zdrojů reprezentujících zářič p = vzdálenost od bodového zdroje do místa (r,z) a_q = absorpční koeficient křemenné trubice t_q tloušťka křemenné plášťové trubice ai absorpční koeficient pro vodu

Π poloměr zářiče

Pro každé místo (r,z) je celková obdržená intenzita součtem příspěvků ze všech bodových zdrojů v systému, jak popisuje následující rovnice (III) (III)

Rovnice (II) a (III) představují základní model sumace bodových zdrojů. Protože tento model poskytuje prostorově závislou informaci o poli intenzity záření, může být tato informace použita pro předpověď dávky záření akumulované každou částicí vstupujícího proudu. Tuto předpověď popisuje následující rovnice (IV)

9

-2599

99«

9

99 (IV) kde dosei = dávka UV záření obdržená i-tou částicí I(t) = intenzita UV záření závislá na čase cas = doba zdržení částice v ozařovaném objemu

Inaktivace bakterií historicky je aproximována kinetikou prvního řádu, a lze ji pokládat za správnou za ideálních podmínek, podle Chickova zákona (Chick, 1908)

N = N_oe⁽’^KIt) kde

N = bakteriální hustota po vystavení UV záření

Nq = počáteční bakteriální hustota

K = konstanta rychlosti inaktivace (cm²/W.s)

I = intenzita energie UV záření (W/cm²) t = doba

Ve snaze formulovat návrhový model UV dekontaminace byly v praxi vyvinuty složitější modely, které nezbytně musí zahrnovat četné parametry založené na empirických datech. Diskuse toho, který z existujících modelů je v současné době nej lepší pro předpověď účinnosti procesu dekontaminace, přesahující rámec tohoto vynálezu, je obsažena ve vynikající práci autorů Blatchey aj. (např. Ernest R.Blatchey III (1998) Optimization of Process performance in Ultraviolet Dísínfection systems, Water Enviroment Eederation Proceedings, Disinfektion 1998 The LatestTrends in Wastewater Disinfection: Chlorination vs. UV Disinfection).

Nicméně, pro rozlišení mezi způsobem podle vynálezu a • ··· • · · · • ♦ «

-26• · *· ·· • ·· • · ♦ • · * • · · ♦ • Φ ·· podle dosavadního stavu techniky se zde používá model UV desinfekce (Scheible. 1987), který je základem pro model uvedený v US EPA Design Manual for Wastewater Disinfection (1986) a citovaný v Wastewater Disinfection manual (Water Pollution Control Federation, 1986). Tento model je popsán následující rovnicí (V) jV = jV„exp<

ur

2Ě (V) kde u = rychlost odpadní vody skrze reaktor (cm/s) x = průměrná vzdálenost překonávaná vodou při vystavení

UV záření (cm)

E = rozptylový koeficient (cm²/s)

K = konstanta rychlosti inaktivace (s¹)

Rychlost inaktivace K je odhadnuta na základě empirického vztahu daného rovnicí (VI)

K = a(I_Prům)^b (VI) kde

Iprúm = průměrná intenzita UV záření v reaktoru a,b = empirické koeficienty specifické pro podmínky odpadní vody

Poznamenejme, že tento způsob, spolu s většinou jiných výpočtů desinfekce potřebných pro způsoby se spojitým zdrojem záření, musí nutně zahrnovat veličiny specifické pro reaktor a časově proměnné, jako například dobu expozice, dobu zdržení částic, rychlost vody v reaktoru a intenzitu UV záření závislou na čase.

Podle vynálezu, použití jediného impulzního zdroje v každém reaktoru zjednodušuje jak přesné dávkování, tak

-27stanovení dávky UV záření. Je tomu tak proto, že technologie diskrétního dodávání energie v pulzech pomocí UV výbojky může odstranit časově závislé členy z výpočtů. Je-li znám průtok (v m³/s) reaktorem, a tuto informaci vynález vskutku v každém případě poskytuje, veličiny průměrná velikost toku a doba expozice mohou být nahrazeny veličinami UV v Joulech na puls (Juv-c) krát rychlost opakování pulzů (Hz). Je tedy možno jednoduše a vhodněji měřit dávku UV-C v termínech průměrné energie UV-C v Joulech na krychlový metr (Juv-c/™³) _ř založit tak model (modely) desinfekce na této přesně kvantifikované proměnné.

Navíc, koaxiální uspořádání jediného, lineárního zdroje záření (impulzní UV výbojka s vysokou intenzitou) zjednodušuje dodávání UV záření a poskytuje méně těžkopádný přístup k přesnému výpočtu výkonu. Je také výhodné počítat aktuální výkon UV reaktoru v reálném čase, namísto na základě skutečné délky provozu a při spoléhání na předpovědí výkonu reaktoru. Způsob podle vynálezu zahrnuje tuto důležitou odlišnost.

Je dobře známo, že různé operace desinfekce pomocí UV záření mohou efektivně dosáhnout požadovaného výsledku stanovením optima podmínek dodávání UV záření pro specifický proces. Tento postup je založen na vyvážení tří primárních faktorů: průtok tekutiny, podmínky tekutiny (úroveň obsahu kontaminantů a prostup UV záření), a množství aplikované (a následně absorbované) energie UV záření na cílový organismus nebo sloučeninu. Protože tyto tři faktory dominují celému procesu a ve značné míře ovlivňují účinnost procesu, zabývá se způsob zde uvedený těmito třemi faktory.

Ačkoliv patent US 5 144 146 vykládá teorii týkající se rámce v němž mohou být toxické látky ničeny zářením z impulzních UV výbojek (v termínech šířky pásma, průměrné a maximální intenzity a pod.), tato teorie je ve skutečnosti

-28jednoduchou sumací mezních podmínek, za nichž byly provozovány prakticky všechny úspěšné UV disociační procesy v několika minulých desetiletích. Skutečnost, že široké podmínky navržené v patentu US 5 144 146 zahrnují velké množství reálných a potencionálních způsobů provádění procesu (které jsou zcela nespecifikované a bez uvedení příslušných specifických požadavků na UV záření), nepředstavuje nic jiného, než že co bylo již po desetiletí v oboru obecně známo, to jest že měnitelný výstupní výkon impulzních výbojek může být uzpůsoben požadovaným UV podmínkám stanoveným pro konkrétní fotodisociační proces. Kdyby mělo být definováno rozmezí různých modů dodávání energie (jako průměrný výkon a maximální výkon a podobně), použitelné prakticky pro všechny fotodisociační procesy na bázi UV výbojky, odpovídalo by v podstatě podmínkám uvedeným v patentu 5 144 146.

Předložený vynález využívá výstupní spektra impulzních výbojek s různými kombinacemi průměrné intenzity a maximální intenzity uvnitř (a rovněž vně, tj. frekvence pulzů <5 Hz) provozních mezí specifikovaných v patentu US 5 144 146, jaké jsou známy v podstatě z po desetiletí používané technologie UV výbojek. To je zřejmé z literatury. Vskutku, flexibilita na výstupu, kterou poskytují impulzní zářiče vysoké intenzity, je činí ideálními tam, kde je potřeba vysoce proměnlivé množství a intenzita UV záření.

Pokusy podle dosavadního stavu techniky vzájemně přizpůsobit proměnlivý průtok a výstupní výkon zářiče, například způsob podle US patentu 4 336 223 (Hillman), používají detektory zákalu ve zpětnovazební smyčce. Zákal je definován jako snížení transparentnosti vody v důsledku přítomnosti suspendovaných částic. Ačkoliv měření zákalu a jeho příspěvek k optimalizaci dávky UV záření je považováno za součást stavu techniky, zákal představuje faktor ·♦····· ♦ · · · © • ♦ · * * · · » © » « .29- ·· ·· ·· ··· ·· ·· ovlivňující schopnost UV záření pronikat objemem reaktoru, čili prostup UV záření. Například, nepatrná množství určitých obvykle uvažovaných průmyslových odpadů mohou drasticky snižovat procento prostupu UV záření, a to i tehdy, když měření zákalu téže tekutiny indikuje nízkou úroveň zákalu. Jestliže je dávka UV záření stanovena na základě takovýchto nízkých hodnot zákalu, následné nesprávné hodnocení vede ke stanovení neadekvátní dávky UV záření a tím k nevyhovujícímu výstupu z procesu.

Beer Lambertův zákon popisuje, jak je záření zeslabováno absorpcí záření v tekutině. Faktor zeslabení nebo prostupu Τχ pro daný paprsek záření vlnové délky, kde zeslabení je dáno primárně absorpcí, je popsán následující následující rovnicí (VII)

Τχ = 10'^3λ1 (VII) kde ax = absorpční koeficient (cm^-1) při vlnové délce λ = délka dráhy (cm)

Fotochemické procesy mohou být iniciovány jen fotony, které jsou absorbovány cílovým médiem. Absorbance je vztažena ke koncentraci absorbujících složek podle následující rovnice (VIII) mm kde exíCí = molární absorpční koeficient (M^cm’¹) při vlnové délce λ a koncentraci (M) složky i v tekutině = délka dráhy (cm) ♦ « ·»» 9 · · · φ · « 9 9 9 9 9 « 9 * * 9 φ ···· ·· · 999«

99 99 999 9· 99

-30Absorbance a prostup se řídí vztahem podle následující rovnice (IX)

Α_χ = -ΙοςΤχ nebo

Τχ = 10^_M

Zatímco suspendovaná pevná látka může absorbovat záření a přispívá k redukci UV prostupu, je obecně známo, že nemá vždy lineární efekt, ani nemusí nezbytně dominovat procesu. V termínech významu pro fotodisociační proces vyžadující přesné dávkování UV záření, měření prostupu UV záření je významnější než zákal. Způsoby, které spoléhají na monitorování zákalu tekutiny, tedy mohou být zcela nepřesné a neefektivní. Způsob podle vynálezu měří prostup UV záření namísto zákalu, a obsahuje v každém UV reaktorovém modulu rozhraní pro použití jednoho nebo více detektorů prostupu UV záření. Tato rozhraní také umožňují přidání pomocných detektorů úrovně obsahu kontaminantů. Tyto detekční prostředky jsou použitelné pro budoucí indikaci, v reálném čase, různých kontaminantů které jsou předmětem zájmu, jako například mikroorganizmů a toxických organických sloučenin. Způsob a zařízení podle předloženého vynálezu umožňuje přídavnou a důležitou zpětnovazební smyčku, která dále zvyšuje přesnost a účinnost četných aplikací fotodisociace pomocí UV záření.

Zatímco výše uvedený popis zahrnuje podrobnosti, které odborníkovi umožňují provádění vynálezu, je třeba chápat, že tento popis je ilustrativní povahy a odborníkovi jsou zřejmé četné modifikace a změny, které mají výhody myšlenky vynálezu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob dekontaminace tekutiny kontaminované mikroorganismy citlivými na UV záření a/nebo organickými sloučeninami, zahrnující kroky (1) uspořádání zařízení obsahujícího:

(A) jediný UV reaktorový modul nebo množství UV reaktorových modulů, přičemž každý UV reaktorový modul zahrnuje (a) potrubí vstupující tekutiny, (b) čerpadlo s měnitelnou rychlostí umístěné v potrubí vstupující tekutiny, přičemž čerpadlo je schopné otáčení rychlostí určenou signálem řízení rychlosti čerpadla, (c) UV reaktor umístěný na potrubí vstupující tekutiny za čerpadlem s měnitelnou rychlostí, přičemž UV reaktor má vnitřní komoru obsahující (i) reaktorový kanál navazující na potrubí vstupující tekutiny, přičemž reaktorový kanál má vstup a výstup, (ii) UV výbojku umístěnou v reaktorovém kanálu schopnou emitovat jeden nebo více pulzů ultrafialového záření majícího vlnovou délku v UV-C pásmu, přičemž výbojka emituje jeden nebo více pulzů o intenzitě a frekvenci pulzů určené signálem řídícím výstupní výkon výbojky, a (iii) alespoň jeden detektor prostupu UV záření umístěný v reaktorovém kanálu tak, že měří prostup UV záření částí dílčího proudu tekutiny procházejícího v blízkosti jeho umístění, přičemž detektor je schopen generovat výstupní signál

-32« ·»· indikující naměřený prostup UV záření, a (B) systémový řídicí modul nacházející se v nezávislém elektrickém propojení s každým z UV reaktorových modulů, přičemž řídicí modul je schopný generovat signál řízení rychlosti čerpadla a signál řízení výstupního výkonu výbojky, a přijímat výstupní signál prostupu UV záření, přičemž řídicí modul je programovatelný pro generování přídavného signálu řízení rychlosti čerpadla a signálu řízení výstupního výkonu výbojky v odezvě na signál prostupu UV záření, přičemž řídící modul je předprogramován pro vysílání prvního signálu řízení rychlosti čerpadla do čerpadla v každém UV reaktorovém modulu pro otáčení čerpadla rychlostí dostatečnou pro zajištění předem stanoveného prvního průtoku skrze potrubí vstupující tekutiny a reaktorový kanál, a přičemž řídící modul je předprogramován tak, že když proud tekutiny proudí skrze reaktorový kanál, řídící modul vysílá první signál řízení výstupního výkonu výbojky do UV výbojky v každém UV reaktorovém modulu pro aktivaci výbojky pro emitování jednoho nebo více pulzů ultrafialového záření s předem stanovenou první energií pulzu, přičemž tento jeden nebo více pulzů ultrafialového světla má vlnovou délku v UV-C pásmu, (2) vedení dílčího proudu tekutiny skrze potrubí vstupující tekutiny, přičemž dílčí proud prochází skrze potrubí vstupující tekutiny při předem stanoveném prvním průtoku, a (3) vedení dílčího proudu tekutiny skrze reaktorový kanál ze vstupu na výstup tak, že dílčí proud prochází v blízkosti UV výbojky a v blízkosti detektoru UV prostupu, přičemž dílčí proud protéká skrze kanál předem stanovenou první rychlostí, přičemž při průchodu dílčího proudu kanálem

-33φ φφφ « φ φ • · · ·· φ· * * · · φ · · ·· φφφ ·» ·· je část dílčího proudu vystavena jednomu nebo více pulzům ultrafialového světla emitovaného UV výbojkou v odezvě na první signál řízení výstupního výkonu výbojky generovaný řídícím modulem, přičemž detektor UV prostupu měří UV prostup části dílčího proudu procházejícího v blízkostí detektoru a přenáší výstupní signál UV prostupu indikující naměřený UV prostup do řídícího modulu, přičemž řídící modul je předprogramován pro analýzu uvedeného signálu UV-prostupu pro stanovení, zda část dílčího proudu podrobená jednomu nebo více pulzům ultrafialového světla obdržela cílovou dávku UV záření, přičemž jestliže uvedená část proudu neobdržela cílovou dávku UV záření, řídící modul je předprogramován pro vyslání (i) druhého signálu řízení rychlosti čerpadla pro zajištění druhého průtoku v potrubí vstupující tekutiny a reaktorovém kanálu a/nebo (ii) druhého signálu řízení výstupního výkonu výbojky pro aktivování emise jednoho nebo více pulzů ultrafialového světla o druhé intenzitě UV záření a/nebo druhé době trvání pulzu, přičemž druhý průtok a/nebo druhá intenzita UV záření a/nebo druhá doba trvání pulzu jsou takové, že následující části dílčího proudu vystavené jednomu nebo více pulzům ultrafialového světla obdrží cílovou dávku UV záření.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že v zařízení uspořádaném v kroku (1) je UV výbojka umístěna koaxiálně s podélnou osou reaktorového kanálu mezi vstupem a výstupem kanálu.
3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že UV výbojka je umístěna uprostřed mezi vstupem a výstupem reaktorového kanálu.
4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že v jednom nebo více UV reaktorových modulech v zařízení uspořádaném v kroku (1), UV reaktor dále obsahuje alespoň

-34• ··· ··· *· · · ·· · ·* ·· ·· ··· ·· 4« jeden pomocný detektor úrovně kontaminantů.
5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že UV reaktor obsahuje dva pomocné detektory úrovně kontaminantů, přičemž jeden z detektorů je umístěn na protiproudém konci reaktorového kanálu a druhý z detektorů je umístěn na poproudém konci reaktorového kanálu.
6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že zařízení uspořádané v kroku (1) dále obsahuje zásobník vstupující tekutiny, která má být desinfikována, a potrubí vstupující tekutiny propojující zásobník vstupující tekutiny s potrubím vstupující tekutiny každého z UV reaktorových modulů.
7. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že v zásobníku je uspořádáno čidlo hladiny, které snímá změny průtoku vstupující tekutiny a předává výstupní signál indikující tyto změny průtoku řídícímu modulu.
8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že zařízení uspořádané v kroku (1) dále obsahuje potrubí vystupující tekutiny navazující na výstup každého z UV reaktorových modulů.
9. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že systémový řídící modul v zařízení uspořádaném v kroku (1) obsahuje mikroprocesor s uloženým programem.
10. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že čerpadlo s měnitelnou rychlostí v zařízení uspořádaném v kroku (1) je objemové čerpadlo.
11. Způsob podle nároku 1, vyznačující každý UV reaktorový modul v zařízení uspořádaném se tím, v kroku že (1)

-35• · ·· • · * · · • · • ·

0 · · · · • •t ·· ·« dále obsahuje mikroprocesorovou řídící jednotku reaktoru, která je v elektrickém spojení se systémovým řídícím modulem.
12. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že v zařízení uspořádaném v kroku (1) je množství UV reaktorových modulů nacházejících se v paralelním uspořádání.
13. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že v zařízení uspořádaném v kroku (1) je množství UV reaktorových modulů nacházejících se v sériovém uspořádání.
14. Zařízení pro dekontaminaci tekutiny kontaminované mikroorganismy citlivými na UV záření a/nebo organickými sloučeninami, zahrnující (A) jediný UV reaktorový modul nebo množství UV reaktorových modulů, přičemž každý UV reaktorový modul zahrnuje (1) potrubí vstupující tekutiny, (2) čerpadlo s měnitelnou rychlostí umístěné v potrubí vstupující tekutiny, přičemž čerpadlo je schopné otáčení rychlostí určenou signálem řízení rychlosti čerpadla, (3) UV reaktor umístěný na potrubí vstupující tekutiny za čerpadlem s měnitelnou rychlostí, přičemž UV reaktor má vnitřní komoru obsahující (i) reaktorový kanál navazující na potrubí vstupující tekutiny, přičemž reaktorový kanál má vstup a výstup, (ii) UV výbojku umístěnou v reaktorovém kanálu schopnou emitovat jeden nebo více pulzů ultrafialového světla majícího vlnovou délku v UV-C pásmu, přičemž výbojka emituje jeden nebo více pulzů o intenzitě a frekvenci pulzů určené signálem řídícím výstupní výkon výbojky, a • 4 · ·4

4 4 (iii) alespoň jeden detektor prostupu UV záření umístěný v reaktorovém kanálu tak, že měří prostup UV záření částí dílčího proudu tekutiny procházejícího v blízkosti jeho umístění, přičemž detektor je schopen generovat výstupní signál indikující naměřený prostup UV záření, a (B) řídicí modul nacházející se v nezávislém elektrickém propojení s každým z UV reaktorových modulů, přičemž řídicí modul je schopný generovat signál řízení rychlosti čerpadla a signál řízení výstupního výkonu výbojky, a přijímat výstupní signál prostupu UV záření, přičemž řídicí modul je programovatelný pro generování přídavného signálu řízení rychlosti čerpadla a signálu řízení výstupního výkonu výbojky v odezvě na signál prostupu UV záření, aby následující části dílčího proudu vystavené jednomu nebo více pulzům ultrafialového světla obdržely cílovou dávku UV záření.
15. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že UV výbojka je umístěna koaxiálně s podélnou osou reaktorového kanálu mezi vstupem a výstupem kanálu.
16. Zařízení podle nároku 15, vyznačující se tím, že UV výbojka je umístěna uprostřed mezi vstupem a výstupem reaktorového kanálu.
17. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že v jednom nebo více UV reaktorových modulech, UV reaktor dále obsahuje alespoň jeden pomocný detektor úrovně kontaminantů.
18. Zařízení podle nároku 17, vyznačující se tím, že UV reaktor obsahuje dva pomocné detektory úrovně kontaminantů, přičemž jeden z detektorů je umístěn na protiproudém konci reaktorového kanálu a druhý z detektorů je umístěn na poproudém konci reaktorového kanálu.

• 444 ······· 4 · 4 * · ··· ·· 4 4·«4

-37- ** ** *· *·· ·· ··
19. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že dále obsahuje zásobník vstupující tekutiny, která má být desinfikována, a potrubí vstupující tekutiny propojující zásobník vstupující tekutiny s potrubím vstupující tekutiny každého z UV reaktorových modulů.
20. Zařízení podle nároku 19, vyznačující se tím, že v zásobníku je uspořádáno čidlo hladiny, které snímá změny průtoku vstupující tekutiny a předává výstupní signál indikující tyto změny průtoku řídícímu modulu.
21. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že dále obsahuje potrubí vystupující tekutiny navazující na výstup každého z UV reaktorových modulů.
22. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že řídící modul obsahuje mikroprocesor s uloženým programem.
23. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že čerpadlo s měnitelnou rychlostí je objemové čerpadlo.
24. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že každý UV reaktorový modul dále obsahuje mikroprocesorovou řídící jednotku reaktoru, která je v elektrickém spojení se systémovým řídícím modulem.
25. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že množství UV reaktorových modulů je uspořádáno paralelně.
26. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že množství UV reaktorových modulů je uspořádáno sériově.