JP5190064B2

JP5190064B2 - Ｕｖ処理リアクタ

Info

Publication number: JP5190064B2
Application number: JP2009535479A
Authority: JP
Inventors: ジー．バーチャー，ケイス
Original assignee: Calgon Carbon Corp
Current assignee: Calgon Carbon Corp
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2027-11-02
Also published as: IL198350A0; CA2668195C; EP2089064A2; CN101678132B; EP2089064B1; JP2010515559A; CA2668195A1; AU2007317385B2; RU2470669C2; US7507973B2; US20080121812A1; IL198350A; AU2007317385A1; ES2467100T3; CN101678132A; WO2008057981A3; WO2008057981A2; HK1132202A1; RU2009120717A

Description

本願は、２００６年１１月２日に出願された米国特許出願第１１/５５５,９３０号の優先権を主張しており、当該出願は、全体として、引用を以て本願の一部となる。

本発明は、紫外線(「ＵＶ」)の光を用いて流体を処理する装置に関しており、特に、ＵＶの線量を効率的に分布させて、処理効果を増加させる装置に関する。

ＵＶ照射を用いて流体内の微生物を不活性にすることは公知である。幾つかのタイプのＵＶシステムが存在しており、これらの中には、加圧、半加圧(semi-pressurized)、又は無加圧式のＵＶシステムが含まれる。一般的に、これらのシステムでは、複数のランプが列を成して、飲料水のような処理流体に浸漬されている。ＵＶシステムのタイプに拘わらず、あらゆる微生物を不活性にするために、システムを通って流れる流体全体に、できるだけ等しい量のＵＶ光(線量又はフルエンス(fluence))を照射することが重要である。この線量又はフルエンスは、強度と時間の積である。ＵＶシステムを通る際に、微生物には、線量の分布となる、ある範囲のＵＶの強度及び時間が施される。理想的には、ＵＶ光と流れは、ＵＶリアクタに渡って均等に分布して、全ての微生物が同じ線量を受け取る。ＵＶリアクタの設計における目的は、この理想的な線量にできるだけ近いように、全ての流体要素が光にさらされるような狭い線量分布を得ることである。

このような理想的な線量分布を得るために、幾つかのシステムでは、流体が、第１列のランプ間の空間を通って流れて、第２列のランプと接触するように、ＵＶランプの連続的な列にオフセットが設けられている。しかしながら、このようなシステムの問題は、妨げられることなく、光が上流と下流を通過できないことから、隣接するランプでＵＶ光が吸収されることである。この手法はまた、より高いヘッドロス(headloss)を強要し、低パワーながら多くのランプを必要とする。

流れている流体に、ある範囲のＵＶ強度を施すことを保証する別の手法は、平坦なバッフルを、複数のランプに平行に配置することである。幾つかの手法では、バッフルは、ＵＶランプの各組の間に配置される。バッフルは、１又は複数のランプに相対的に近づくように、流体を方向づける。この手法によって、リアクタを通じて高い圧力損失が生じ、バッフルの背後のゾーンは、流れが少なくなり、又は実質的に流れが無くなり、その結果、特に、水のＵＶ透過率が高い場合には、これらの領域で線量が高くなる。それ故に、リアクタが扱うことを要求される水のＵＶ透過率の全範囲に渡って、狭い線量分布を得るようなリアクタを設計することが難しくなる。

その他のシステムは、(例えば図３ａの例に見られるように)主として円状のアレイ(array)に複数のランプを配置して、ＵＶ線量の分布を改善する。しかしながら、これらのシステムや同様のパターンを用いたＵＶシステムでさえも、ＵＶフルエンス率フィールド(UV fluence rate field)への最小の照射を水が受け取れない領域が存在する。このようなシステムは、幾らかの流体が低線量のＵＶを受け取り、その他の流体が高線量を受け取るような流体の分布をもたらすことから、低線量を受け取った微生物が不活性にならずに通過してしまう恐れがある。

ＵＶ光源が円状のアレイに構成されたシステムはまた、効率的なランプのターンダウン(turndown)能力を欠いている。通常、円状アレイのシステムは、ランプを個々にではなく、ランプを対で消すようにシステム制御に要求して、均一な線量分布に出来るだけ近づくように対称性を維持する。さらに、円状のアレイでは、２つのランプを消すと、それらランプが消された場合の領域において、残りのランプが互いに近づけられた場合の領域に照射される放射輝度と比較して照射量のずれが流れに生じる。不均一な線量分布は、効率を低下させ、ある場合には、処理レベルを不適切にし、又は、処理されない水をもたらす。幾つかの従来のシステムでは、必要な線量を与えるために大規模なユニットを必要としている。

故に、処理が非一様となる線量分布の望ましくない効果を含む従来技術の欠点を解消する必要がある。更に、デザインがコンパクトであり、動作効率が良く、ランプを消す場合にターンダウンが効率的で柔軟であり、低価格なＵＶリアクタをもたらすことが望まれている。

本発明は、流体入口、流体出口及び反応チャンバを有するハウジングを備える流体処理装置に関する。反応チャンバはＵＶ源のアセンブリを含んでおり、複数のＵＶ源が互いにほぼ平行であると共に、流体の流れの方向にほぼ垂直に配置されている。そのアセンブリは、ＵＶ源の対を少なくとも２つ含んでおり、各々の対は、流体の流れの方向に垂直な平面に配置される。ＵＶ源の第１の対のＵＶ源は、ＵＶ源の第２の対のＵＶ源の間のスパンよりも長い離間距離又はスパンでお互いに配置される。第１の対と第２の対の各々に含まれる１つのＵＶ源(例えば、上側のＵＶ源)は、反応チャンバの共有壁(common wall)の近くに配置されて、それら２つのＵＶ源で与えられる平面は、それらに対向しているＵＶ源の第１の対と第２の対のＵＶ源(例えば、下側のＵＶ源)で与えられる平面と交差する。引き続いて、１又は２以上のＵＶ源の対がアセンブリに追加されて、交差する平面の何れかに沿って配置されてよい。１つのＵＶ源が、それら平面が交差する線に置かれてよい。１又はそれを超える追加のＵＶ源のアセンブリが、チャンバに含められてよい。１又は２以上のチャンバの各々が、１又は２以上のＵＶ源のアセンブリを含んでおり、ＵＶリアクタを形成してよい。オプションとして、上側バッフルと下側バッフルが、最上と最下のＵＶ源、つまり、リアクタの壁に最も近い対の上流側にて、それらに近接して配置されてよい。用語「上側」及び「下側」は、添付の図面に示すように、ＵＶ源とバッフルについて、リアクタにおけるそれらの方向の位置付けについてのみ言及しており、決して、異なるように位置決めされたそれらの配置を制限することを意図していない。例えば、ＵＶ源と個々のバッフルとは、対向する側壁に対して位置決めされてもよい。

このように、本発明は、従来のＵＶ処理装置を超える顕著な進歩を示す。本発明の実施例は、デザインが効率的であり、動作に柔軟性があり、比較的低コストであるという利点を有する水処理用ＵＶリアクタを提供する。本発明のもう一つの利点は、リアクタの断面に渡って放射されるＵＶ光が概ね一様な線量になるようにＵＶ源が並べられて、概ね一様な線量又は狭い線量分布が得られるようなＵＶ源のアセンブリを与えることである。本発明のもう一つの目的は、効率的なターンダウン能力を有する装置、即ち、パワーが低減された状態又はパワーがない状態でランプが動作する装置を与えることである。本発明の実施例は、所望の線量を得るのに必要な数のランプのみで動作し、従来のＵＶリアクタシステムで必要とされるランプの数よりも少ない数のランプで動作可能である。本発明の実施例の目的は、流体が、ＵＶ源に非常に接近して流れて、線量分布を改善するようなバッフルの配置を与えることである。

本発明のその他の目的、特徴、態様及び利点は、本発明に関する以下の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲からより良く理解されるか、明らかであろう。

図１は、本発明の態様に従ったＵＶリアクタの等角図である。図２は、本発明の実施例の正面断面図である。図３ａは、ＵＶ源の従来の円状アレイを用いたリアクタの側面断面図である。図３ｂは、５つのランプの円状アレイを用いたリアクタの側面断面図である。図４は、本発明の実施例に基づいて並べられたＵＶ源のアセンブリが示されたリアクタの側面断面図である。図５は、ＵＶ源のアセンブリを含むリアクタの側面断面図を示しており、本発明の実施例に従ってＵＶ源の対が配置されている。図６は、ＵＶ源のアセンブリを含むリアクタの側面断面図を示しており、本発明の実施例に従ってＵＶ源の対が配置されている。図７は、ＵＶ源のアセンブリを含むリアクタの側面断面図を示しており、本発明の実施例に従ってＵＶ源の対が配置されている。図８は、本発明の実施例であるリアクタの側面図を示しており、２又は３以上のＵＶ源のアセンブリと、ＵＶ源の対とを示している。図９は、本発明の実施例であるリアクタの側面図を示しており、２又は３以上のＵＶ源のアセンブリと、ＵＶ源の対とを示している。図１０は、本発明の実施例であるリアクタの側面図を示しており、２又は３以上のＵＶ源のアセンブリと、ＵＶ源の対とを示している。

本発明の実施例に従った流体処理装置は、例えば、図１、図２及び図４に図示されている。流体処理装置(10)は、流体の流れを受け取るハウジング(11)を備えている。流れの向きは、矢印Ａで示されている。ハウジング(11)は、流体が流れ込む流体入口(12)と、流体を処理する反応チャンバ(13)と、処理後の流体が流れ出る流体出口(14)とを備えている。反応チャンバ(13)は、少なくともＵＶ源の２つの対(15)(16)を備えている第１アセンブリを含んでいる。第１の対(15a)(15b)と第２の対(16a)(16b)は、お互いに平行に、且つ、流体の流れに垂直に配置される。第１の対のＵＶ源(15a)(15b)はお互いに、第２の対のＵＶ源(16a)(16b)がお互いに離れているスパンよりも長いスパンで離れている。本明細書で使用されているように、用語「スパン」は、１つの対の２つのランプの間の距離に言及している。説明を目的として、各対は、例えば図４において、垂直な破線Ｖ₁とＶ₂に沿って示されている。スパンは、ランプの間の垂直線に沿った距離である。第１の対と第２の対は、第１の対の１つの源(例えば、上側の源)と、第１の対のその源のようにチャンバ(13)の共通側により近くに配置された第２の対の１つの源(例えば、同じく上側の源)とが、平面を形成するように位置決めされる。各々の対の２番目の源と併せて、両方の対によって、ほぼ交差する２つの平面が生じる。

ＵＶ源(15a)(15b)(16a)(16b)は、ＵＶランプであって、好ましくは、中圧水銀アークＵＶランプである。或いは、それらは、低圧ＵＶランプ、パルスＵＶランプ、ＵＶ光発光ダイオード(ＵＶＬＥＤ)、又はその他の任意のＵＶ源である。ＵＶ源は、通常、石英管や石英スリーブ内に収容されており、流体から密閉されている。

例えば図４に示されているように、本発明の実施例では、ＵＶ源の第２の対(16a)(16b)は、第１の対(15a)(15b)よりも、入口(12)の近くに配置されている。ハウジング内にて、ＵＶ源(15a)(15b)(16a)(16b)は、それらの間における流体の速度が速くなって、リアクタ内で過度に圧力降下しないように十分な距離で離れているが、ＵＶフルエンスが非常に低くならずに、ランプから最も離れた点で、流体に適切な線量が与えられるようには十分に近づいている。本明細書で使用されているように、用語「距離」は、流体の流れの向きについて、ある１つのＵＶ源のみ又はＵＶ源の対とＵＶ源の別の対(以下で説明する)との間の距離に言及している。説明を目的として、図４の水平な破線ｈ₁及びｈ₂は、流体の流れの向きを示している。ＵＶ源間の距離は、それらの水平線に沿って測られて、Ｖ₁とＶ₂のような２本の垂直破線の間の間隔として、水平線に沿って示される。ＵＶ源の第１の対(15a)(15b)からＵＶ源の第２の対(16a)(16b)の距離は、ＵＶ源(15a)(15b)とＵＶ源(16a)(16b)の間におけるスパンの増加分の約０.２倍及び約１.２５倍である。例えば、(図４に示すような)ＵＶ源の２つの対を有するリアクタでは、ＵＶ源の第２の対(16a)(16b)の間のスパンは、ＵＶ源の第１の対(15a)(15b)の間のスパンの約３分の１である。例えば、線ｈ₁と線ｈ₂の間の中点で水平に流れる流体は、線ｈ₂と線ｈ₃の間の中点を移動する流体とほぼ同じ線量を受け取る。線ｈ₃と線ｈ₄の間の流体についても同様である。

別の例では、(図５に示すように)５つのＵＶ源があり、ＵＶ源の第２の対(16a)(16b)の間のスパンは、ＵＶ源の第１の対(15a)(15b)の間のスパンの約２分の１である。

ランプのアセンブリのこの配置によって、ＵＶ源の間を、概ね妨げられない形態で流体が流れるが、それらＵＶ源から最も離れて通過する流体が、その他のＵＶ源から遠く離れてそれて、不十分な線量を受け取ることがないようになされている。それ故に、図４にてαとして示されており、上側のＵＶ源の組(15a)(16a)と下側のＵＶ源の組(15b)(16b)とで形成されるＵＶ源の２つの平面の間の角度は、大体、４０度から１４０度とされてよい。ランプとそれらのスリーブとが互いに配置されるこれらの角度と距離が、ランプの配列となる。また、別の実施例では、ＵＶ源の第２の組(16)は、第１の組(15)よりも下流側にて、入口(12)からさらに離れて、第１の組(15)よりも短いスパンで、角度αを与えるように、配置されている。

装置(10)の別の実施例は、図５に例示するように、流体の流れＡの方向に対して垂直に配置された第３のＵＶ源(18)を含んでいる。オプションとして、第３のＵＶ源(18)は、図６に示すようにＵＶ源の対(18a)(18b)で構成され、ＵＶ源の対(18a)(18b)は、互いにほぼ平行に配置され、ＵＶ源の第１の対(15a)(15b)のスパン及び第２のＵＶ源の対(16a)(16b)の対のスパンと比較して短いスパンでお互いに離れている。例では、ＵＶ源の第３の対(18a)(18b)は、ＵＶ源の第１の対(15a)(15b)及びＵＶ源の第２の対(16a)(16b)の上流側に配置される。

ある実施例では、ＵＶ源の第３の対(18a)(18b)は、第１のＵＶ源の対(15a)(15b)と第２のＵＶ源の対(16a)(16b)との間の距離にほぼ等しい距離だけ、第２のＵＶ源の対(16a)(16b)から離れている。上側の源の各対(18a)(16a)と(16a)(15a)は、お互いの距離がそれらに対応する下側の源の各対(18b)(16b)と(16b)(15b)におけるお互いの距離とほぼ等しくなるように配置されている。または、ＵＶ源の第３の対(18a)(18b)は、第１のＵＶ源の対(15a)(15b)と第２のＵＶ源の対(16a)(16b)の間の距離に等しい距離で、第２のＵＶ源の対(16a)(16b)から離れてなくともよい。この距離は、ゼロ(つまり、(18a)(18b)が(16a)(16b)と同じ垂直平面内にある)から、ＵＶ源の第１の対(15a)(15b)とＵＶ源の第２の対(16a)(16b)の間の距離の２倍までの範囲であってよく、線量の分布、つまり性能に顕著に影響することはない。例では、そのスパンは、(16a)(16b)の間のスパンの約３分の１とされ、(15a)(15b)の間のスパンの約５分の１とされる。(図６に示すような)６つのＵＶ源を有する別の例では、第２のＵＶ源の対(16a)(16b)の間のスパンは、ＵＶ源の第１の対(15a)(15b)の間のスパンの約５分の３であり、ＵＶ源の第３の対(18a)(18b)の間のスパンは、ＵＶ源の第１の対(15a)(15b)の間のスパンの約５分の１である。これによって、連続する水平線ｈ₁やｈ₂などで同じ間隔が維持されて、概ね均一な線量分布が与えられる。

ある実施例では、１つのＵＶ源(18)が、２つの平面が角度αで交差する点で、ＵＶ源の第１の対(15a)(15b)とＵＶ源の第２の対(16a)(16b)のアセンブリ内にて配置されており、「山形(chevron)」のパターンに似た、ＵＶ源とＵＶ源の対のアレイが形成されている。山形の頂点は、図５に示すように、流体の流れの上流側にあるか、図７に示す別の配置では、流体の流れＡの下流側にある。ある例では、第３のＵＶ源(18)は、２つの平面が交差する点に必ずしも存在しない。ＵＶ源(18)とＵＶ源の第２の対(16a)(16b)との間の距離は、ゼロ(つまり、(18)が(16a)(16b)と同じ垂直平面内にある)から、第１のＵＶ源の対(15a)(15b)と第２のＵＶ源の対(16a)(16b)の間の距離の２倍までの範囲であってよく、線量の分布、つまり性能に顕著に影響することはない。(16a)(16b)の間のスパンは、(15a)(15b)の間のスパンの約２分の１であろう。

ほぼ均等な距離だけ離れて配置されてスパンを減少させる追加のＵＶ源及び/又はランプの対が、山形の構成にオプションとして追加されて、リアクタにて使用されてよい。例えば、１つの追加のＵＶ源が、ＵＶ源の第３の対の上流側に(山形矢印の上流に)、又は、第３のＵＶ源の対の下流側に(山形矢印の下流に)、ＵＶ源の第１の対とＵＶ源の第２の対の間の距離のゼロから２倍の距離だけ、ＵＶ源の第３の対から離れて配置されてよい。別の例では、ＵＶ源の第４の対が、ＵＶ源の第３の対の上流側又は下流側に配置される。第４の対は、ＵＶ源の第１の対とＵＶ源の第２の対の間の距離のゼロから２倍の距離だけ、ＵＶ源の第３の対から離れて配置されて、ＵＶ源の第４の対の源の間のスパンは、ＵＶ源の第３の対の源の間のスパンよりも短い。少なくとも４つのＵＶ源の対を用いた別の例では、ＵＶ源の第２の対の間のスパンは、ＵＶ源の第１の対の間のスパンの約７分の５であり、ＵＶ源の第３の対の間のスパンは、ＵＶ源の第１の対の間のスパンの約７分の３であり、ＵＶ源の第４の対の間のスパンは、ＵＶ源の第１の対の間のスパンの約７分の１である。

本発明のある実施例では、図８に例示するように、第１、第２及び第３のＵＶ源は、山型の構成に概ね配置されており、第４のＵＶ源(22)は、第１、第２及び第３のＵＶ源の下流側にて、２つの隣接するこれらＵＶ源のスパンの中間点に配置されている。中間点は、基本的に、第１、第２及び第３のＵＶ源の間(つまり、ＵＶ源(15a)と(16a)、(16a)と(18)、(18)と(16b)、(16b)と(15b))にて生じる流れのチャンネルに対応している。オプションとして、第４のＵＶ源は、２つ以上のＵＶ源で構成されてよい。追加されるこのようなＵＶ源(22a)(22b)(22c)(22d)の各々は、チャンバ(13)内にてお互いに概ね平行になるように位置決めされて配置されており、第１、第２及び第３のＵＶ源が生じるチャンネルの間を通過する光を照射する。実施例では、第４のＵＶ源(22)は、４つのＵＶ源(22a)(22b)(22c)(22d)で構成されており、それらは、第１、第２及び第３のＵＶ源の下流側に配置されている。４つのＵＶ源(22a)(22b)(22c)(22d)は概ね、平面内に配置されており、お互いに平行であり、流体の流れの方向に垂直である。ＵＶ源(22a)(22b)(22c)(22d)の各々は、第１、第２及び第３のＵＶ源で生じるチャンネルの間の水に光を照射するように配置される。流体の流れのチャンネルは、ＵＶ源(15a)と(16a)、(16a)と(18)、(18)と(16b)、及び(16b)と(15b)の間にて生じる。

(１又は２以上のＵＶ源で構成される)第４のＵＶ源(22)を有する山形配置の別の実施例では、第１、第２及び第３のＵＶ源の各々は、リアクタ(13)内にて下流側に配置される相補的なＵＶ源を有しており、左右対称の像が生じている。例えば、図９は本発明の実施例を示しており、第４のＵＶ源(22a)(22b)(22c)(22d)を有する山形配置と、その配置のＵＶ源に対して相補的な鏡像の組と有している。

オプションとして、図５に示すように、チャンバ(13)は、上側バッフル(20a)と下側バッフル(20b)と含んでよい。好ましい実施例では、上側と下側のバッフル(20a)(20b)は、ＵＶ源(15a)(15b)の上流側にて、それらに近接して配置されている。ＵＶ源(15a)(15b)は、最も長いスパンで、反応チャンバ(13)の上側と下側に最も接近して夫々配置されている。ダイバータ(diverter)又はバッフル(20a)(20b)は、流体の流れがＵＶ源(15a)(15b)に向くように並べられており、反応チャンバ(13)の上側と下側に沿って移動する流体が適切な線量を受け取ることが保証されている。ランプアセンブリの配置とバッフルとが、流体の流れを方向づける変更機構(diversion mechanism)として機能することで、流体が一様に処理される領域内に流体が流れて、線量分布の一様性が増加する。上側バッフル(20a)と下側バッフル(20b)の後縁又は最内の端部の間のスパンは、連続するＵＶ源の対(16a)(16b)と対(15a)(15b)の間におけるスパンの増加分の約４分の１だけ、ＵＶ源(15a)(15b)の間のスパンよりも長い。しかしながら、上側バッフル(20a)と下側バッフル(20b)の後縁又は最内の端部の間のスパンは、連続するＵＶ源の対(16a)(16b)と対(15a)(15b)の間のスパンの増加分の約０.１から約０.５倍だけ、ＵＶ源(15a)(15b)の間のスパンよりも長くされてもよい。上側バッフル(20a)と下側バッフル(20b)の後縁又は最内の端部は、水平に配置されて、後縁又は最内の端部からＵＶ源(15a)(15b)の距離が、連続するＵＶ源の対(16a)(16b)と対(15a)(15b)の間の水平方向の距離の約半分よりも小さくされてよい。図５の角度βで示すように、バッフル(20a)(20b)は、反応チャンバの対向する壁(向きに応じて、上壁と下壁)の各々に対して約９０度の角度にされてよい。より好ましくは、角度βは、２０度から９０度の間とされる。図５及び図６に示す好ましい実施例では、角度βは４５度であり、バッフルで形成される平面は、ＵＶ源(15a)(15b)と夫々交差する。

ＵＶ源(22)が１又は２以上のＵＶ源((22a)、(22b)、(22c)など)で構成される配置では、バッフル(20)は、反応チャンバの対向する壁(13a)(13b)に装着される。例えば図８に示すように、一方のバッフル(20a)は、上側のチャンバ壁(13a)に取り付けられ、他方のバッフル(20b)は、下側のチャンバ壁(13b)に取り付けられる。バッフルは、チャンバ壁の最も近くに配置されたＵＶ源に向けて流体を向けるように取り付けられる。例えば図８に示す実施例では、上側バッフル(20a)は、ＵＶ源の第１の対の上側のＵＶ源の上にて、それと近接するように配設され、下側バッフル(20b)は、ＵＶ源の第１の対の下側のＵＶ源の下にて、それと近接するように配置される。１又は２以上の相補的なＵＶ源(つまり、(115)、(116)、(118)、(122))をさらに含む実施例にて、バッフルが使用されてもよい。このような実施例では、例えば図９に示すように、バッフル(20)は、最もスパンが大きく、反応チャンバ(13)の上側と下側に夫々最も近く、相補的なＵＶ源であるＵＶ源(115a)(115b)の上流側に、それらと近接するように配置される。

別の実施例は、ＵＶ源の２つのアセンブリを備えている。両方のアセンブリは、同じ反応チャンバ(13)内に配置されてよい。図１０の例に示すように、各アセンブリは、５つのＵＶ源を備えており、上流を指し示している。第２のアセンブリは、第１のアセンブリと同じ数のＵＶ源を有している必要はないが、通常、第１のアセンブリと同じ原理に従って並べられて、スパンが減少し、交差する２つの平面を形成する。

ＵＶ源のアセンブリは、流体が均一に分布し、ＵＶ光に一様に照らされることで、従来のＵＶリアクタよりも狭い線量分布が得られて、比較的良い効率が得られるように設計される。

実施例が提供する流体の制御された流れは、全てのＵＶ源が働いているＵＶ源であるか否かに拘わらずに、理想的な流動をもたらす。故に、コストを低下させるために、(図４から図１０に示す実施例にて)４、５、６，９、１０又は１８個のＵＶ源の全てが、必ず給電又は点灯されるランプであるとは限らない。これは、ＵＶＤＧＭ(US EPA UV Disinfection Guidance Manual, November 2006)で禁止されているような、標準化された試験方法に従ったこれらリアクタの実証試験が高コストであることから、魅力的な選択肢である。この試験について、リアクタは、動作パラメータの可能な全ての組合せで有効でなければならない。動作パラメータには、流量、ランプ電力、水のＵＶ透過率、及び、点灯するランプの数が含まれる。このことから、例えば、５つ全ての石英管及びランプ((15a)、(15b)、(16a)、(16b)及び(18))が装着された単一のリアクタ構成で実証して、それら石英管に１から５つのランプが装着されたＵＶリアクタを水処理プラントに提供することがコスト効率が良い。それによって、実証のコストが低下し、最大である５つのランプに満たない数が必要とされる場合には、システムのコストも低減される。

更に、全部で５つのランプがある場合、装置のターンダウン能力は改善されている。なぜなら、装置は、必要とされる数のランプのみを用いて効率的に動作できるからである。このように、１から５つの装着ランプが動作してリアクタが確認されると、電力とランプ維持コストとを節約するために、ランプを消灯できる。

装置(10)は、従来のＵＶリアクタシステムで必要とされる数よりも少ない数のランプを用いて動作可能であって、それによって、従来のシステムよりも動作コストを低減する。例えば、それは、従来のリアクタから、均一な線量分布に必要な対称性を維持するためにランプを対で消灯させる必要性を排除する。(図３ａに図示された)従来の円状アレイでは、２つのランプを消灯することで、ランプが消えた結果、線量が減少して、流れの中に差違が生じる。動作する残りのランプをお互いに接近させると、放射照度が高く、線量が過剰となって、その結果、線量分布が不均一となり、効率が悪化する。

ランプを対で消灯させて、２、４、又は６つのランプを動作させるのではなく、ランプを消灯させて、１、２、３、４、又は５つのランプを動作させてよいという本発明で与えられる柔軟性に加えて、本発明の実施例は、これを行う一方で、良好な線量分布と動作効率を維持する。動作中、リアクタを通る流量が少ない、又は、水質が高い場合には、ＵＶ源の全てが動作する必要はなく、リアクタの動作コストは低減される。リアクタのこの高度なターンダウンは、所望の用途に対するリアクタの大きさの決定と、動作コストを低減させるリアクタの動作との両方において魅力的である。上述した検認試験により、一連の動作方程式(operating equations)がもたらされて、特定の線量を得るために必要とされる放射照度が、任意の数の動作ランプについて計算され得る。そして、この線量は、特定の標的生物の対数不活性化(log-inactivation)に対応している。故に、低減した流れや水の高いＵＶ透過率では、ＵＶセンサで測定して、水内に必要な放射照度を得ることで、動作している残りのランプのランプ電力を低減して、コストを低減できる。ランプを消灯することで、従来のシステムよりもランプ間の間隔が広がるが、本発明の特徴とする配置では、尚も均一で効率的である線量分布が可能である。

５つのランプの実施例にて、要求される線量を得るのに２つのランプのみが必要とされる場合に、これは特に当てはまる。このような実施例では、ランプ(16a)(16b)はオンにされて、ランプ(18)(15a)(15b)は消されるだろう。これら２つのランプは、流体の流れの中に対称的に配置され、１つのランプ(18)は、それらの間に配置され、１つのランプ(15a)は上側に、１つのランプ(15b)は下側に配置される。これによって、高ＵＶ透過率及び/又は低流量における均一な線量分布が維持される。例えば６つのランプを有する円状アレイでは、２つのランプをオンのままにする場合、ランプ(a1)(a2)がオンのままならば、リアクタの中央で大きな間隙が生じ、隣接するランプ(b1)(b2)がオンのままならば、リアクタの上と下で２つの間隙が生じる。両方の例において、線量分布は不均一になる。

さらに、実施例では、ＵＶ源(15a)(15b)(16a)(16b)(18)の独特な配置は、連続した３つまでのバンクを必要とするような、多くの比較され得るリアクタを不要とする。例えば、その他の処理装置は、各々が２又は３つのランプを含むような３つのまでのバンクを必要とする。このようなマルチバンクリアクタは、ターンダウンと効率がかなり良好かも知れないが、長くて大きく、コストが掛かる。複数のバンクが連続するリアクタの別の欠点は、各バンクの少ない数のランプの近くに流体を運ぶために大きなフローダイバータを必要とする結果、流速が速くなって、本発明よりも圧力降下が大きくなる。本発明は、たった１つの流体処理ゾーン又はランプのバンクを用いて、効率的な結果をもたらす。

[具体例１]
典型的な円状アレイを有するリアクタが、本発明の実施例と比較するために変更された。このようなリアクタは、少なくとも６つ又はそれを超えるランプを必要としている。本発明との比較のために、「円状アレイ」を有するリアクタは、図３ｂに示すように５つのランプのみを用いたＵＶランプ配置を含むように準備された。ランプのこのアレイでは、ランプ(b1)(b2)が、ＵＶ源(a1)(a2)の下流側に配置されており、図５の実施例のような山形アレイに５つのランプ有するリアクタと比較して、基本的に円状のアレイとなっている。ランプの対の間のスパンは維持された。計算流体力学(ＣＦＤ)モデリングが、フルエンスフィールドモデリングと結合されて、このリアクタの性能を、５つのランプで動作している場合と、４つのランプで動作している場合とについて求めた。同様なテストは、図５に示すような山形パターンに並べられた５つのランプを用いた本発明の実施例について実行された。それらの結果は比較されて、以下の表１にまとめられている。

比較結果は、５つのランプを用いた円状配置から見て、本発明の有効性を証明した。５つのランプが動作しており、流量が１日当たり６２０万ガロン(ＭＧＤ)、水のＵＶ透過率が８０％である場合、本発明の山形に構成されたリアクタでは、水の流れの中に宿る微生物に供給されるＵＶ線量は、５１.４ｍＪ/ｃｍ²であった。一方で、図３ｂに示された装置のランプアレイ配置では、流れと水の透過率とを同じ条件した場合に、４３.４ｍＪ/ｃｍ²の線量であった。４つのランプが動作しており(図５でランプ(18)が消灯、図３でランプｃが消灯)、流量が４.９ＭＧＤ、水のＵＶ透過率が８０％である場合、山形アレイの線量は３１.７ｍＪ/ｃｍ²である一方で、５つのランプの円状アレイの線量は、たった２７.６ｍＪ/ｃｍ²であった。円状アレイでは、山形アレイを有する本発明と比較して、５つのランプで１６％、４つのランプで１３％、性能が低下する。

故に、上述のデータは、リアクタが山形アレイで動作する場合、５つのランプの円状アレイの場合と比較して、１６％改善することを示す。これは、山形アレイの５つのランプは、円状アレイの５.８(５×１.１５)個のランプと同じ性能を有することを示しているだろう。それ故に、本発明の実施例に基づいて５つのランプを山形パターンに並べると、６つのランプの円状アレイとほとんど同じように動作するであろう。

[具体例２]
本発明の具体例では、本発明に従ってほぼ山形の構成に並べられた５つのＵＶランプを有するリアクタ(10)が、ＵＶＤＧＭに基づいたバイオアッセイ試験を用いて実証されて、性能を測定された。その結果は、表２にまとめられている。

流量が１日当たり１０００万ガロン、ＵＶ透過率が８５％で、５つのランプが動作する場合、４４.９ｍＪ/ｃｍ²の線量が得られた。これらのランプは、要求される４０ｍＪ/ｃｍ²の線量を得るのに８.９ｋＷ/ランプまで弱くできる。交互にランプを消灯し、１又は１対のランプを同時に消灯して、ターンダウン効果が実証された。最初に、前方のランプ(18)が消されて、４つのランプが動作させられた。これらのランプは、８ＭＧＤの流量及び８８％のＵＶ透過率の条件に十分であって、十分な線量を与えるために４つのランプのみが必要とされた。次に、ランプの第２の対(16a)(16b)が消灯され、ランプ(18)が元に戻されて、動作する３つのランプが残された。３つのランプのシナリオは、例えば、流量が６ＭＧＤであり、ＵＶ透過率が８８％である場合には受け入れ可能であって、４０ｍＪ/ｃｍ²のＵＶ線量よりも大きい線量が得られて、標的微生物が殺菌される。更に、装着可能な５つのランプの中の３つのみを有する装置を与えることは、従来の円状アレイで必要とされる４つのランプを有する比較デザインよりも、そのデザインの(ピーク)流量とＵＶ透過率だと、所望の線量を得るのに３つのランプのみが必要とされる場合には、効率的でコストが低い装置を可能にすると予想される。次に、前方のランプ(18)とランプの第１の対(15a)(15b)の両方がオフにされて、２つのランプが動作したままにされると、この例で流量が４ＭＧＤへと更に低減されて、ＵＶ透過率が８８％である場合に効果的である。最後に、前方のランプ(18)を除く全てのランプがオフにされて、たった１つの動作ランプが残された。このシナリオは、最大のターンダウンをもたらし、これらの条件で、１ＭＧＤの流量と９５％の透過率で所望の線量を得ることができる。この例で実証されたように、本発明は、線量分布と処理される流体の効率とが良いようなデザインで、ＵＶランプが特別な対称性で水中に並べられたＵＶ処理装置を与える。

本発明の実施例の更なる利点は、ＵＶ源を形成するランプ及び石英管の挿入を支持する円状の端板の半分に、ランプが集結されることである。これによって、残りの半分が、手孔を含めるために整えられて、リアクタ内部の整備のためにアクセス可能となる。円状のアレイを有するリアクタでは、手孔用の自由な空間が少なく、点検が困難である。

アーク長が比較的長いＵＶ源を有する大きなリアクタを用いる場合、実施例においてオプションとして、一番下のＵＶ源(15b)が、その他のランプのＵＶ源(16)(18a)(18b)(15a)の電力レベルよりも高い電力レベルで動作し、上方と比較して、ランプが下方に放射する相対的に低い放射照度を保証する。アーク長が長くなるにつれて、これが与えるであろうと発明者が予期する利点も大きくなる。或いは、下側のバッフル(20b)がチャンバ(13)へと更に延ばされて、バッフル(20a)と最上のＵＶ源(15a)の間のスパンよりも、最下のＵＶ源(15b)との間でより短いスパンを生じて、流体を上方にシフトさせて、上方と比較して、ランプが下方に照射する相対的に低い放射照度が保証される。

更に、完全な山形又は「Ｖ」字アレイにランプを並べる代わりに、それらは、ランプ(16a)(16b)が更に上流側に(図５及び図６)、又は更に下流側に(図７)移動させられて、半円又は「Ｃ」字形状の大半を形成してよい。つまり、連続するランプ又はランプの対の間におけるスパンの増加分が、ＵＶ光を均一に分布させるためにおおよそ一様でなければならない一方で、ランプ(18)と(16a)(16b)の間の距離は、ＵＶ光の分布に顕著な影響を与えることがないように、(16a)(16b)と(15a)(15b)の間の距離の半分又は２倍とされ得る。更に、５つのランプを用いた動作について、連続するランプ又はランプの対の間のスパンが厳密に均一に増加することを維持することが、最も効率的であるかも知れないが、本発明の好ましい実施例では、ランプ(16a)(16b)のスパンが最大で１０％増加する一方で、ランプ(15a)(15b)のスパンが最大で１０％まで減少して、２つのランプ(16a)(16b)又は３つのランプ(18)(15a)(15b)だけの場合に線量分布、ひいては性能を改善する。これは、５つのランプが動作する場合の性能をほとんど犠牲にすることなく行える。

現在における本発明の好ましい実施例が示されて説明されたが、詳細な実施例と図面とは、限定ではなく説明を目的として提示されていることを理解すべきである。本発明は、添付の特許請求の範囲に規定された発明の範囲内にて、異なるように変化、修正又は変更されてよい。加えて、当該分野における通常の知識を有する者は、本発明のリアクタが垂直に装着されて、流体が上方に又は下方に垂直に流れてよいことを理解するであろう。このような姿勢が使用される場合、上述した実施例における、垂直及び水平、上側及び下側なる用語は、相互に置換されるであろう。本明細書で説明された山形アレイのようなほぼ交差する２つの平面を形成するのに使用されるランプの数には制限はない。更に、特別な用途について望まれるならば、各々が交差するランプの平面を含むような連続的な流体処理ゾーンが使用されて、より大きな線量が得られてもよい。

Claims

流体入口と、流体出口と、それらの間にある少なくとも１つのチャンバとを有しており、流体の流れを処理するリアクタを備えており、
前記チャンバ内には複数のＵＶ源が配置されており、
複数のＵＶ源は、第１の対と第２の対からなり、前記複数のＵＶ源の各々の対は、上側ＵＶ源と下側ＵＶ源とからなり、
前記第１の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源とは、前記第２の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンよりも大きなスパンで配置されており、
前記第２の対は、前記流体の流れの上流側又は下流側にて、前記第１の対と前記第２の対とが山形構成を成すように前記第１の対に隣接して配置されており、
前記第１の対と前記第２の対は、前記流体の流れの向きにほぼ垂直に配置されている流体処理装置。
前記流体処理装置は、前記チャンバの対向する壁に取り付けられた２つのバッフルを備えており、上に配置された上側バッフルは、前記第１の対の上側ＵＶ源に近接しており、下に配置された下側バッフルは、前記第１の対の下側ＵＶ源に近接している、請求項１の流体処理装置。
前記複数のＵＶ源には、前記第２の対の上流側又は下流側にて、前記第１の対の反対側に配置された１つの第３のＵＶ源が更に含まれており、前記第１の対と前記第２の対の間の距離のゼロ乃至２倍の距離だけ、前記１つの第３のＵＶ源は、前記第２の対から離れている、請求項１の流体処理装置。
前記複数のＵＶ源には、上側ＵＶ源と下側ＵＶ源とからなる第３の対が更に含まれており、前記第３の対は、前記第２の対の上流側又は下流側にて、前記第１の対の反対側に配置され、前記第３の対は、前記第１の対と前記第２の対の間の距離のゼロ乃至２倍の距離だけ、前記第２の対から離れており、前記第３の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンは、前記第２の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンよりも短い、請求項１の流体処理装置。
前記第２の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンは、前記第１の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンの３分の１である、請求項１の流体処理装置。
前記第２の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンは、前記第１の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンの２分の１である、請求項３の流体処理装置。
前記第２の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンは、前記第１の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンの５分の３であり、前記第３の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンは、前記第１の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンの５分の１である、請求項４の流体処理装置。
前記複数のＵＶ源には、前記第３の対の上流側又は下流側にて配置された１つの追加ＵＶ源が更に含まれており、前記１つの追加ＵＶ源は、前記第１の対と前記第２の対の間の距離のゼロ乃至２倍の距離だけ、前記第３の対から離れている、請求項４の流体処理装置。
前記複数のＵＶ源には、ＵＶ源の第４の対が更に含まれており、前記第４の対は、前記第３の対の上流側又は下流側に配置され、前記第４の対は、前記第１の対と前記第２の対の間の距離のゼロ乃至２倍の距離だけ、前記第３の対から離れており、前記第４の対のＵＶ源の間のスパンは、前記第３の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンよりも短い、請求項４の流体処理装置。
前記第２の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンは、前記第１の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンの３分の２であり、前記第３の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンは、前記第１の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンの３分の１である、請求項８の流体処理装置。
前記第２の対の間のスパンは、前記第１の対の間のスパンの７分の５であり、前記第３の対の間のスパンは、前記第１の対の間のスパンの７分の３であり、前記第４の対の間のスパンは、前記第１の対の間のスパンの７分の１である、請求項９の流体処理装置。
前記複数のＵＶ源は、中圧ＵＶランプ、低圧ＵＶランプ、パルスＵＶランプ、ＵＶ光発光ダイオード、又はそれらの組合せである、請求項１の流体処理装置。
前記複数のＵＶ源には、ＵＶ源の２つの対からなるＵＶ源のアセンブリを更に含んでおり、それらＵＶ源の第１の対のＵＶ源は、それらＵＶ源の第２の対のＵＶ源の間のスパンよりも大きいスパンでお互いに配置されており、それらＵＶ源は、前記流体の流れにほぼ垂直に配置されている、請求項１の流体処理装置。
前記第１の対と前記第２の対の間の距離は、前記第２の対から前記第１の対へのスパンの増加分の０.２乃至１.５倍の範囲内である、請求項１の流体処理装置。
前記第１の対の上側ＵＶ源と前記第２の対の上側ＵＶ源とで生成される平面は、前記第１の対の下側ＵＶ源と前記第２の対の下側ＵＶ源とで生成される平面と、４０度から１４０度の角度で交差する、請求項１の流体処理装置。
前記２つのバッフルの各々は、反応チャンバの対向する壁と２０度から９０度の角度を成している、請求項２の流体処理装置。
前記１つの第３のＵＶ源は、前記第２の対の上流側に配置されており、前記複数のＵＶ源には、前記第１の対、前記第２の対、及び前記１つの第３のＵＶ源の下流側にある第４のＵＶ源が更に含まれており、前記第４のＵＶ源は、前記第１の対、前記第２の対、及び前記１つの第３のＵＶ源の隣接するＵＶ源の間のスパンのほぼ中点に、前記流体の流れとほぼ垂直に配置されている、請求項３の流体処理装置。
前記第４のＵＶ源は、２つ以上のＵＶ源からなり、それらＵＶ源の各々は、前記第１の対、前記第２の対、及び前記１つの第３のＵＶ源の隣接するＵＶ源の間のスパンのほぼ中点に、前記流体の流れとほぼ垂直に配置されている、請求項１７の流体処理装置。
前記第１の対、前記第２の対、前記１つの第３のＵＶ源、及び前記第４のＵＶ源の下流側に、前記第１の対、前記第２の対、前記１つの第３のＵＶ源、及び前記第４のＵＶ源の中の１つのＵＶ源の鏡像を与える位置に配置された少なくとも１つのＵＶ源を更に含む、請求項１７の流体処理装置。
流体処理装置を用いて流体の流れを処理する方法において、
チャンバに前記流体を流す工程と、前記チャンバ内に配置された複数のＵＶ源に前記流体をさらす工程とを含んでおり、
複数のＵＶ源は、第１の対と第２の対からなり、
複数のＵＶ源の各々の対は、上側ＵＶ源と下側ＵＶ源とからなり、
前記第１の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源は、前記第２の対の上側ＵＶ源と下側ＵＶ源の間のスパンよりも大きいスパンで配置されており、
前記第２の対は、前記流体の流れの上流側又は下流側にて、前記第１の対と前記第２の対とが山形構成を成すように前記第１の対に隣接して配置されており、
前記第１の対と前記第２の対は、前記流体の流れにほぼ垂直に配置されている方法。
前記チャンバには、追加のＵＶ源ユニットが更に配置されており、前記追加のＵＶ源ユニットはＵＶランプを収納するように設計されている、請求項２０の流体処理装置を用いて流体の流れを処理する方法。
流体の流れを処理する方法において、
請求項３の流体処理装置を通るように流体を流す工程と、
前記流体をＵＶ源にさらす工程とを含んでおり、
それらＵＶランプの中の１、２、３、４、又は５つが動作している方法。
流体の流れを処理する方法において、
請求項４の流体処理装置を通るように流体を流す工程と、
前記流体をＵＶ源にさらす工程と
それらＵＶ源の１つ又は２つの対を消灯する工程とを含んでいる方法。