TWI511933B - 用於控制大型水體內部分水體的微生物性質的方法 - Google Patents

用於控制大型水體內部分水體的微生物性質的方法 Download PDF

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Description

用於控制大型水體內部分水體的微生物性質的方法
本公開涉及通過集中於處理大型水體的部分水來控制該部分水的微生物特性的方法，其中大型水體的所述部分符合特定微生物的衛生條件。本公開可讓人們以安全的方式使用大型水體作為娛樂用途，避免了對總的水體的處理。該方法還包括基於ORP、溫度、鹽度、和任選地化學品擴散、以及水稀釋能力的參數確定方法控制的分配化學品。這導致使用數量級減少的化學品處理水以及低能耗。因此，本公開克服了處理整個水體的局限性或不可能性，可以讓人們出於娛樂的用途以安全的方式使用大型人工或自然水體，如大型湖泊、瀉湖、水庫、水壩、礦泉、池塘、或海內的一定區域。
世界各地的一些研究表明：在幾個大型水體，如湖泊、水庫、水壩、和海中發現的水質具有不符合安全標準和/或用於娛樂用途所需的水質的細菌和物理特性。因此，作為娛樂用途使用這樣的大型水體可對人構成健康威 脅，並且不利地影響周圍的社區和地區。
水污染可與人類活動引起的水體的化學、物理和生物特性的變化有關。隨著多年來世界人口指數地增長，需要更多的生活和娛樂空間，因此會因不同的目的使用天然或人工水體。人口的增加佔據了大城市的周邊，增加了對土地需求和相關的公用設施。此外，工業數量成倍增加，其引起一些也影響這些大型水體品質的環境後果。
水質差的一個原因是水污染。汙水處理、工業污染、水體邊緣的過度開發、農業和城市化的廢物排放、空氣污染等都可以污染水。而且，較高的溫度可以不利影響水的微生物和物理性能，並且允許微生物快速增殖，這可以對人體健康產生負面影響。這些例子可以導致水質下降到低於娛樂用水所需的標準。
水污染的影響包括對水體內活的生物體的健康影響，並最終影響可能以直接或間接目的使用這樣的水的人類的健康。
此外，過去幾年中，進入大型水體的營養物質的量大大增加，這主要是由於增長的城市化和農業，導致水體的增長的微生物生長或富營養化。在富營養化條件下，營養物質的量導致水生植物的代謝率增加，從而增加了生化需氧量並減少了水的溶解氧水準。此外，溫度也影響水的溶解氧水準，因為溫水具有降低保持溶解氧的能力。因此，結合兩種氧減少的影響，如較大的營養物質量和較高的溫度，導致了生物體的衰弱，因為它們變得更容易受到疾 病，寄生蟲和其他污染物的影響。所有這些問題對水質產生負面影響，引起了藻類和其他微生物的增殖，其隨後死亡並產生對人類不安全的娛樂環境。此外，全球變暖將傾向在世界各地增加這種問題。
對用於娛樂用途的大型水體已經進行了許多研究和分析。大型水體被用於各種各樣的娛樂用途，包括洗澡、滑水、風帆衝浪、划船、和許多其他活動。然而，一些用於這些娛樂用途的水體不符合實施於水體的特定的微生物衛生條件。例如，在美國各地的1000多個湖泊進行了EPA研究，以分析使用這些湖泊作為直接接觸的娛樂用途的潛在風險，並且發現了所有湖泊中的30%以上潛在地對人體健康具有廣泛的影響，以及超過41%的湖泊具有高度或中度暴露於藻毒素的可能性。另外，已經發現，在靠近海岸的殘留區域，微生物的數量和毒素濃度高於開放的水域。
世界上許多國家具有在安全和衛生條件下，直接接觸的娛樂用途如洗澡的使用水體的法規，關於這樣水體的娛樂用途，通常有兩種類型的法規。第一種類型的法規針對游泳池，基本上需要保持高的永久的氯緩衝體系，以保持低的微生物水準，並且也避免了當新的入浴者進入游泳池時水的污染。氯緩衝體系中和了污染物，並殺死了由入浴者帶到游泳池水中的微生物，其中包括許多其他污染物，從而保持了適合作娛樂用途的高的水質。第二種類型的法規實施於大型的自然或人工大型水體，如湖泊、海、瀉 湖、水庫、或水壩、以及其他大型水體中，並且其被作為全身接觸沐浴的娛樂水的標準。這項規定基於水的稀釋能力。當水具有可接受的微生物水準，並且新入浴者進入水體時，污染物以使得水體中的污染物沒有達到引起顯著影響的濃度的方式被稀釋。因此，由於大的水體積的高稀釋能力，以及其保持衛生條件的自然能力，在大型水體中不需要消毒劑緩衝。
直接接觸的娛樂用水法規，如實施於湖泊、海、瀉湖或水壩，要求水質符合一些標準，該標準允許這些水體的安全使用。為了評估大型水體用於直接接觸的娛樂用途的適用性，最重要的標準是水中的微生物參數。例如，用於在娛樂水中全身接觸沐浴的EPA(環境保護局)標準指出，對於淡水，每100毫升的水中大腸桿菌(E.Coli )不得超過126CFU，並且每100毫升的水中腸球菌不得超過33CFU。對於海水，EPA規定每100毫升水中腸球菌不得超過35CFU。另一個例子是，在智利，對於直接接觸的娛樂水的標準NCh1333規定，每100毫升水中不得含有超過1000CFU的糞大腸菌(其中包括大腸桿菌)。因此，當這樣的大型水體用於直接接觸的娛樂用途時，實施嚴格的標準。
因此，在目前不宜用作娛樂用途的大型水體中，獲得這樣所需的特定微生物條件是一個重大的挑戰，因為在整個大型水體中施用大量的化學試劑和消毒劑以符合特定的微生物衛生條件是技術上、經濟上和環境上不可行的。因 此，處理整個水體以符合實施於水體的特定的微生物衛生條件大部分時候是不可能的。
此外，雖然一些水體可以符合直接接觸的娛樂水的微生物法規，或實施於水體的更嚴格的法規，但是存在致病生物體，如原生生物，和具體地變形蟲，等，其可能存在於這樣的水體，尤其是低鹽度水或高溫水中。因此，沒有保持直接接觸的娛樂水的細菌規定的保證，可以允許永久安全的洗浴條件。
目前，應用於游泳池的水處理技術需要添加化學試劑，以保持至少為1.5ppm的永久的氯緩衝體系或保持至少750mV的永久的ORP。目前，沒有已知的實際的方法來處理被微生物污染的大型水體，如湖、海、瀉湖、水庫、或水壩，因為目前的方法在技術上、經濟上和環境上對於大型水體是不可行的。ORP已日益成為規範水消毒參數的主要方法。微生物的代謝以及因此他們的生存和繁殖能力受其生活的介質的ORP(氧化還原電位)的影響。從細菌學觀點看，氧化性化合物除去和接受來自細胞膜(氧化還原反應)的電子，使細胞變得不穩定並導致其快速死亡。
氧化還原電位(ORP)，即，化學化合物從另一物質獲得電子的傾向，可以通過加入不同的消毒劑控制，該消毒劑允許處理水和殺死可以產生娛樂用途的不安全環境的危險微生物。另外，水溫對其細菌學特徵和微生物繁殖起到了重要作用，其中微生物增殖在較高的溫度下往往增 加。此外，水的鹽度也對其細菌學性質起到了重要的作用，因為有些微生物需要特定的鹽度水準，以便能夠增殖，並且不能承受不同鹽度的介質。例如，一些致病原生動物只生長在以重量計低於2%的鹽度的水中，因此，對於更高的鹽度，這些微生物將不會成長，也不增殖。
游泳池水處理技術需要添加大量的化學試劑，以維持適當的消毒參數。對於大型水體，應用目前的游泳池消毒技術在技術上和經濟上是不可行的，因為其需要大量的化學品，並且所述大量的化學品將會導致嚴重的環境損害。
目前，沒有已知的切實可行的對大型水體進行消毒的方法，並且處理這種大型水體，如湖泊、海、瀉湖、水庫、或水壩。如果使用傳統的消毒技術，適當的處理和消毒將是在技術上、經濟上、和環境上是不可行的。因此，期望提供用於處理大型水體的方法，並且優選其限定部分，以提供符合特定的微生物衛生條件的區域，並以安全的方式使它們用於娛樂用途。
因此，關於水質差的自然或人工的大型水體，如湖泊、瀉湖、海、或大壩的娛樂用途，存在沒有解決的問題。這些大型水體的微生物特性必須符合直接接觸的水的法規或實施於特定的水體的更嚴格的法規，以允許在水體中的娛樂用途的安全實行，並且還避免了對於社區或附近地域的任何健康威脅，目前該威脅沒有在世界各地的多個大型水體中發生。
技術狀況
美國專利號6231268公開了通過定向迴圈處理大型水體的方法和裝置，其中US6231268的裝置和方法涉及在大型水體內保持水的迴圈，以避免氧缺乏、停滯區、冷凍、和其他的非均一條件。US6231268沒有提到，也沒有公開處理大型水體中的部分水，以符合特定的微-細菌學(micro-bacteriological)的衛生條件的方法，而是只公開了用於維持大型水體內的迴圈的方法。US6231268的方法不通過擴散器手段以創建符合衛生標準(sanitary-compliant)的區域施加化學品，而是保持了水體內的迴圈，這將使化學品分配於整個水體內，而不是允許創建符合衛生標準的區域。
美國專利號6317901公開了淡水或海水池，其中該池是建立在自然或人工水體之上，其允許使用來自這樣水體中的水，以通過物理屏障裝置來避免大型水體中所含的泥土或其他沉積物造成的污染，該物理屏障使水通過，而不是污染物，這需要在大型水體內安裝包含物理的裝置。
專利CN102092824公開了用於池塘、湖泊、城市蓄水池、和其他水體的水循環系統，其中該水循環系統允許建立從底層水到地表水的流動，避免了水體的富營養化。專利CN102092824沒有提到，也沒有公開用於控制大型水體中的部分水的微生物性質，以建立允許娛樂用途的符合衛生標準的區域的方法。
 概要
令人驚訝的是，本公開通過處理大型水體的部分，控制了大型水體的微生物性質，其中大型水體的部分符合特定的微生物衛生條件而不必處理整個水體，從而提供符合衛生標準的區域，該區域被設置以覆蓋用於娛樂用途的區域，使水質符合特定的微生物衛生條件。
該方法允許處理總的水體積的一小部分。因為使用了允許創造安全的符合衛生標準的區域的分配器裝置，而無需處理整個水體，因此，該方法僅需要少量的化學品以及低的能量消耗。因此，本公開可以允許人們以安全的方式使用大型水體內的某些區域作為娛樂用途，克服了處理整個水體的局限性或不可能性，而只處理將要用於這些用途的區域，並且也可以使用其在今天由於安全或衛生問題是不可用的無數的湖泊、海岸、瀉湖、和許多水體，產生前所未有的娛樂和旅遊機會，這可以改變世界各地的人們的生活方式。
該方法可以在自然的或人工的大型水體，如湖泊、海、河口、水庫、水壩、和瀉湖上進行。此外，在這些大型水體中所含的水可以是淡水、微鹹水、鹹水、或海水。
因此，在某些實施方案中，本公開涉及用於通過確定部分水以控制水的微生物性質的方法。該方法還包括根據水的鹽度和溫度，維持水中的至少最低ORP至少最小時間段，以及分配化學試劑以在至少最小時間段內維持至少 最低的ORP。可以通過分配器裝置優選地進行化學試劑的分配，該分配器裝置允許創建安全的符合衛生標準的區域。可以另外地基於水中化學品的擴散和水的稀釋能力來分配化學試劑。
在一個實施方式中，本公開的方法包括：a.在大型水體內確認計畫用於娛樂用途的部分水，並確定分配器裝置；b.在該部分水中，維持至少最低的ORP水準至少最小時間段，其中最低的ORP水準和最小時間段不能低於通過以下計算的值：i.確定該部分水中最不利的區域；ii.確定在該最不利區域處的水的鹽度；iii.基於該水的鹽度確定最低的ORP值，其中：- 當水中的鹽度為0%至最高1.5%時，ORP的最低水準為550mV；- 當水中的鹽度高於1.5%，並且最高2.5%時，通過下面的方程計算所述最低的ORP水準：[最低的ORP，mV]=625-50 *[水的鹽度，%(重量百分比)]；和- 當水中的鹽度高於2.5%時，最低的ORP水準為500mV；和iv.確定最不利區域中的水溫；和v.基於該水溫，確定最小時間段，其中 - 對於5℃至35℃的水溫，由下面的方程計算最小時間段：[最小時間段，分鐘]=80-2 *[水溫，℃]；和- 對於35℃至最高45℃的水溫，由下面的方程計算最小時間段：- [最小時間段，分鐘]=5*[水溫，℃]-165；c.分配有效量的化學試劑，以在最不利的區域內在至少最小時間段期間維持至少最低的ORP水準，並且d.重複步驟c，以避免最不利區域中的ORP的減少大於最低的ORP值的20%。
併入本文並構成本公開的一部分的附圖示出了本發明的各種實施方式。在圖中：圖1顯示了大型水體(2)中的小部分和符合衛生標準的區域(1)的頂視圖。
圖2顯示了大型水體中的甚至更小部分以及具體地，符合衛生標準的區域(1)，分配器裝置(3)和劃界區域(4)的頂視圖。
圖3顯示了作為本發明方法的實施方式的結果，代表該水中最低的ORP值隨水的鹽度的變化圖。
圖4顯示了作為本發明方法的實施方式的結果，代表 保持最低的ORP值的最小時間段根據水溫的變化圖。
按照通常的實施，所描述的各種特徵沒有按比例繪製，但以強調特定的特徵進行繪製。參考符號表示整個圖的類似特徵。
 發明詳述
下面的詳細描述參考附圖。雖然可以描述一些實施方式，修改、改變、和其他實施也是可能的。例如，可以對附圖中示出的元素進行替代、添加、或修改，並且本文描述的方法可通過替代、重新排序、或向本公開的方法添加步驟等方式修改。因此，下面的詳細描述並不限制本公開的範圍。雖然按照“包括”各種裝置或步驟描述系統和方法，但是該系統和方法也可以“基本上由”或“由”各種裝置或步驟“組成”，除非另有說明。
定義
根據本公開，下列術語或短語應理解為下面所述的含義：如本文所用，水的通常類型和他們各自的總溶解固體(TDS)濃度(以mg/L計)為：淡水，TDS1500；微鹹水，1500<TDS10,000；鹹水，10,000<TDS30,000；和海水，TDS>30,000。例如，可以使用電導計或通過採用重量法蒸發溶劑並稱量留下的殘餘的品質測定 TDS。
如本文所用，“符合衛生標準的區域”是指當用於娛樂用途或當需要時，建立用於娛樂用途的並需要符合特定的微生物衛生條件的大型水體中的部分水。必須指出的是，符合衛生標準的區域可以不是永久相同的物理區域，而是可以根據用此娛樂用途的人的要求而改變。
如本文所用，“特定的微生物衛生條件”是指在符合衛生標準的區域內為了允許娛樂用途而需要達到的微生物性質/條件。這樣的條件可通過為減少某些特定生物體的具體的地方、州、聯邦法規或不同的預定的特定條件來確定。
如本文所用，“最低的ORP水準”是指在最不利的區域中能夠允許的最低的ORP，以在這樣的區域中適當地控制微生物性質。
如本文所用，“最小時間段”是指在最不利的區域必須保持最低的ORP水準的最短的時間量，以允許所需的衛生條件。
如本文所用，“劃界區域”對應於限定詞合衛生標準的區域的虛擬區，並且不需要物理屏障。
如本文所用，“最不利的區域”對應於特別在施加確定量的化學試劑後，在所確定的部分水中表現最低的ORP值的區域。最不利的區域通常，但不一定總是，發現位於所確定的部分水中的劃界區域和離化學分配器最遠的區域。
如本文所用，“分配器裝置”指用於將一種或多種化學試劑施加於水中的任何裝置，並且可以選自注入器、擴散器、噴灑器、重量分配器、管道、手動施用、及其組合；其中，管道、閥門和連接件允許將化學品適當地施加到所建立的待處理的部分水中。
如本文所用，施加到水體中的“化學試劑”指在水中允許實現所期望的ORP水準的任何化學試劑。“有效量的化學試劑”對應於可被施加到水中以在最不利的區域在至少最小時間段期間維持至少最低的ORP水準的最少量的化學品。
本公開的方法
本公開允許通過處理大型水體中的部分控制大型水體的微生物性質，以使大型水體中的所述部分在需要時符合特定的微生物衛生條件，從而克服處理整個水體的限制性或不可能性。創建了符合衛生標準的區域，該區域在戰略上設置以廣泛覆蓋用作娛樂用途的區域。
所公開的方法需要較小量的化學品和降低的能耗，因為不需要用該特定的方法(水體可能會受到與所公開的方法不同的其他處理)處理整個水體。因此，本公開允許人們以安全的方式把大型水體內的特定區域用於娛樂用途，並且克服了經濟上、技術上和環境上處理整個水體的限制性或不可能性，並且也可以允許使用其在今天由於安全或衛生問題不可用的無數的湖泊、海岸、瀉湖、和許多水 體，產生了前所未有的娛樂和旅遊機會，這可以改變世界各地的人們的生活方式。
所公開的方法可以在自然的或人工的大型水體，如湖泊、海、河口、水庫、水壩、和瀉湖上進行。本公開的方法可用於不同的水的類型，包括淡水、微鹹水、鹹水和海水。在一個實施方式中，控制大型水體內部分水的微生物特性的方法包括：a.確認在大型水體內計畫用於娛樂用途的部分水，並確定分配器裝置；b.在該部分水中，維持至少最低的ORP水準至少最小時間段，其中該最低的ORP水準和最小時間段不能低於通過以下計算的值：i.確定該部分水中最不利的區域；ii.確定在該最不利區域處的水的鹽度；iii.基於該水的鹽度確定最低的ORP值，其中：- 當水中的鹽度為0%至最高1.5%時，最低的ORP水準為550mV；- 當水中的鹽度高於1.5%，並且最高2.5%時，通過下面的方程計算所述最低的ORP水準：[最低的ORP，mV]=625-50 *[水的鹽度，%(重量百分比)]；和- 當水中的鹽度高於2.5%時，最低的ORP水準為500mV；和 iv.確定最不利區域中的水溫；和v.基於該水溫確定最小時間段，其中- 對於5℃至35℃的水溫，由下面的方程計算最小時間段：[最小時間段，分鐘]=80-2 *[水溫，℃]；和- 對於35℃至最高45℃的水溫，由下面的方程計算最小時間段：- [最小時間段，分鐘]=5*[水溫，℃]-165；c.分配有效量的化學試劑，以在最不利的區域內在至少最小時間段期間維持至少最低的ORP水準，並且d.重複步驟c，以避免最不利區域中的ORP的減少大於最低的ORP值的20%。
最不利區域的位置、水的鹽度和水的溫度作為外部條件的結果，可以彼此獨立地變化。因此，本公開的方法可以任選地包括另外的步驟e，其中再次或重複地進行步驟b、c、以及d。
為了確定必須符合實施於水體的特定的微生物衛生條件的區域，可以做戰略分析，以提供可以允許安全的娛樂用途的可獲得的區域。
化學試劑的分配，優選通過分配器裝置，是由參數確定方法控制，該方法結合了水的ORP、其鹽度，和其溫度的影響。任選地，可以在參數確定方法中進一步考慮化學 品的擴散、和水的稀釋能力。由於水的消毒性能(ORP)、取決於水的鹽度的某些微生物的抵抗力、溫度、和任選的水的稀釋能力的綜合效果，為符合實施於水體的特定的微生物衛生條件，本公開允許使用比游泳池所需的少得多的化學試劑，這是廣泛研究的結果。在現有技術中，當前有兩種方法以保持水質符合實施於水體的特定的微生物衛生條件，其涉及添加大量的消毒劑，或相反依賴於水的稀釋能力。本公開結合了兩者的效果，以使其協同效應最大，從而提供有效的和可持續的方法，用於符合特定的微生物衛生條件的區域。
確認待處理的部分水
通過戰略地確認最有可能被用於娛樂用途的部分水，確定所要處理的部分水的位置，該水域在本發明的方法後將被指定為符合衛生標準的區域。可以通過檢查用戶可能進入水中的地方、水的深度、水的用途(如洗澡、游泳、滑雪、划船、釣魚等)，水溫等確定該位置。例如，如果水體是位於酒店的旁邊，符合衛生標準的區域將可能是酒店旁邊的，用戶最有可能進入水中的部分水。這顯示於圖1和2中，其中顯示了符合衛生標準的區域1位於大型水體2的邊緣上。在其他情況下，符合衛生標準的區域可以在水體的中心並由大型水體包圍。在一些情形下，符合衛生標準的區域可以對應於視覺上圍起來的或其他物理上與水的其餘部分分隔開的娛樂區域(例如圍欄隔開的、用牆 隔開的)。
參考圖1和圖2，區域1符合預定的衛生條件。正如所討論的，衛生條件可以是由地方、州或聯邦法規或不同預定的具體條件確定。對於娛樂用水的示範法規規定，每100毫升水中的大腸桿菌不得超過126CFU，和每100毫升的水中腸球菌不得超過33CFU。對於海水，EPA法規規定，每100毫升的水中腸球菌不得超過35CFU。在智利，對於直接接觸的娛樂水的標準NCh1333規定，每100毫升的水中不得含有超過1000CFU的糞大腸菌(其中包括大腸桿菌)。或者，通過參考某些微生物的濃度可以確定衛生條件或微生物的性質。在任何情況下，符合衛生條件的區域1滿足衛生條件，而水體積2的其餘部分可以不符合實施於符合衛生條件的區域的特定的衛生條件。
另外，符合衛生條件的區域可包括一個或多個用於分配化學試劑的分配器3，其中水體2的其餘部分可以不包括分配器3。
實際上，符合衛生條件的區域由劃界區域4限定。劃界區域4是虛擬的屏障，其可以包括但並不需要物理屏障。
本公開並不需要遍佈各個區域迴圈水一一符合衛生條件的區域、劃界區域、和最不利的區域。事實上，在一些實施方式中，特別地，水是不被迴圈的。對於本文所描述的大型水體，使水在大型水體內迴圈在在經濟上、技術上和環境上是不可行的。本公開用化學試劑處理確認部分水 中的水，以允許這些區域符合用於這些區域的特定的微生物衛生條件。雖然在水體內可以自然發生化學試劑從符合衛生條件的區域散佈到其他區域，但這不是本發明所需要的。因此，在一些實施方案中，在整個水體中保持水迴圈將對所公開的方法起反作用。
在已經確認或建立起被用於娛樂用途的大型水體的部分水後，可以確定分配器裝置，該裝置由基於水的ORP、其鹽度、其溫度、和任選的化學品的擴散以及水的稀釋能力的參數確定方法所控制。
該分配器裝置3可以選自一個或多於一個擴散器、注入器、噴灑器、重量分配器、管道、手動施用、或其組合。該分配器裝置適於將有效量的化學品排入水體中；以及該分配器裝置也可以包括所需的設備，如管道、閥門、和連接元件，以允許其正確操作。
為了創建符合實施於水體的特定的微生物衛生條件的區域，必須根據參數確定方法施加化學品濃度，該方法基於水的ORP、鹽度、溫度、和任選的化學品的擴散和水的稀釋能力。該化學品可以優選地通過確定的分配器裝置3施加，以覆蓋用於娛樂用途的水體積。
必須注意的是，為了包含待處理的部分水，本公開並不需要物理屏障，但是相反，向該部分水施加了化學品濃度，以符合實施於此區域水體中的特定的微生物衛生條件。
分配器裝置由基於水的ORP、其鹽度、其溫度、以及 任選的化學品的擴散和水的稀釋能力的參數確定方法所控制。分配器裝置施加化學品到該水中，以允許在水體內的適當的擴散條件和符合實施於水體中的特定的微生物衛生條件。分配器裝置可以策略地配置，並且相對於和/或與計畫用於娛樂用途的該部分水定位，以便在符合衛生標準的區域提供所需的化學品濃度。
分配器的數量和位置
在一個實施方式中，分配器被配置或使用是為了覆蓋在符合衛生標準的區域中的水體積。用於分配化學試劑的分配器的數量和位置可以由將要處理的每一部分水的具體條件確定。可以根據將被施加於水體的化學品流量來計算分配器的總數目，並且這樣的化學品流量可以分給一系列的分配器，以允許其均勻地施用於待處理的部分水中。
例如，對於處理水體中相同的部分，存在將添加的有效的化學品量。該有效量可以優選地通過幾個小流量的分配器加入，或者只是少許大流量分配器，這取決於幾個變數例如風、水流、和許多其它可能影響化學品在水體內均勻施用的變數。
分配器通常可以位於待處理的部分水的周邊，以完全覆蓋該部分，但考慮到該部分水的具體要求，它們也可以具有其它構造，以維持化學品施用的均勻性，並允許化學品在該部分水的整個範圍內擴散。
分配器的類型
根據化學品施用的要求，可以在本公開的方法中使用的分配器的類型是可變的，並且可以包括稀釋器、注入器、重量分配器、手動施用、歧管、管道、噴灑器、噴嘴、或其組合。在要求保護的方法中使用的分配器優選為噴嘴，並且更優選為注入器。
有效量的化學試劑的排入
化學試劑被用於通過將符合衛生條件的區域中的微生物的數目降低到低於預定量來創建符合衛生條件的區域。符合衛生條件的區域中的化學試劑的濃度可以通過由單個分配器所分配的化學試劑的量以及分配器的總數目來控制。例如，可以期望從單一的分配器分配較少的化學試劑，但是增加符合衛生條件的區域中的分配器數目。使用多個分配器的例子顯示於圖2，其中多個分配器3設置在符合衛生條件的區域的周邊上。在一個實施方式中，確定了分配化學試劑的分配器的數目和位置，以覆蓋符合衛生條件的區域中的水體積。
分配器3可以是擴散器、注入器、噴灑器、重量分配器、管道、手動施用、或它們的組合。分配器將有效量的化學試劑排入到水體中。分配器也包括允許分配器工作的任何所需的設備，如管道、閥門、和連接元件。
示例性的化學試劑包括抗微生物劑，如臭氧、氯、和氯的化合物、雙胍類產品、鹵素系化合物、溴系化合物、 以及其組合。
為使水中實現一定的ORP水準，所添加的化學品的總量取決於幾個變數，例如pH、氣象條件、雨水、使用水準、有機負荷、鹽度、溫度、鹼度、消毒劑濃度、和/或金屬和污染物的濃度、還有許多其他的因素。ORP衡量氧化或還原水體內發現的某些物質的傾向，因此，並不代表水體內包含的化學試劑的量。ORP測量呈現的優點是不僅測量消毒液的濃度，而且還測量其在水中的活性和殺死微生物和細菌的有效性。
由於變數及其相互影響的複雜性，沒有已知的方程可以根據水中化學品的擴散，關聯用於在水的一定部分維持最低的ORP最小時間段的水溫、其鹽度、和稀釋能力，因此進行了大量的研究。必須建立複雜的模型，以估算將被施加於水體的化學品的量。由於該部分水包含於大型水體內，當施加化學品時，化學品會在該部分水內擴散，建立了化學梯度，其在分配器附近較高並且在最不利的區域內較低。
必須指出，當化學品施用開始時，首先水的ORP將不會有顯著的變化，因為化學品將氧化水中的一些其他化合物。然而，在一定的時候，該施用將允許產生化學品的殘留濃度，其將有助於提高ORP高至期望的水準，並從而提供所期望的消毒能力。因此，必須指出的是，化學品的消耗被分為兩組：
-施加以幫助氧化不同的化合物，不會影響顯著ORP 的化學品的量。這樣的化學品消耗必須在現場確定，因為它完全依賴於原水的水質。此外，這樣的濃度可以由基於水質的理化參數的複雜模型確定。
-施加以在水中產生殘留濃度和從而增加水中的ORP的化學品的量。這樣的化學品的濃度可通過現場估計或根據取決於水質和理化條件或參數的不同方法估計。
儘管有上述規定以及不限制本發明，對於不同的氧化劑，氧化劑的施加範圍根據水的性質而改變。一些氧化劑的通常採用範圍如下：
申請人將提供一些實施方式以估計水中殘留的化學品的量：
a.人們可以假設該部分水表現為封閉體，估算必須施加於水中的氧化劑的最少量，以在待處理的整個部分水中取得確定的ORP。例如，可估計化學品的最小量，以便在該部分水的總體積內達到確定的ORP。例如，如果該部分水具有的體積為1,000立方米，並且該部分水被認為是封閉水體，可以估算到，為使水中的ORP達到550mV，必須保持0.07ppm的次氯酸鈉的殘留濃度。為獲得0.07ppm的殘留濃度，加入了 首次劑量為1.2ppm的次氯酸鈉，以滿足水對氯的需求且沒有產生任何的殘留濃度。之後，加入的劑量為0.07ppm，以獲得所需的殘留濃度，並得到所期望的550mV的ORP水準。因此，加入到水中的次氯酸鈉的量，可以根據其在水體的濃度如下計算：首次劑量：
總的次氯酸鈉=1,200公斤
殘留濃度：
總的次氯酸鈉=70公斤
因此，應當加入總量為1270千克的次氯酸鈉，以獲得水中的次氯酸鈉的均勻的殘餘濃度為0.07ppm，並由此獲得在該區域中為550mV的ORP。由於在現實中該部分水發現在大型水體內，該濃度不會是均勻的，並且然後因為水流所產生的化學品的擴散，先前計算的劑量可以被視為獲得這樣的ORP的最小量。
b.也可以使用游離氯的方法，該方法允許基於pH和水中游離氯的濃度計算水的ORP。當pH值維持在恆定值時，ORP和游離氯之間為線性關係。因此依據ORP水準，可以如下計算所需的化學品的量，以達到一定量的游離氯：
c.添加化學品並定期監測，以便當達到一定的ORP時停止添加，是另外的選擇。此方法是嘗試性的和誤差的方法，它允許通過定期監測ORP而加入化學品，並且當達到所期望的ORP時，化學品的添加必須停止。
d.用於確定化學品的量的另一方法包括取出小的水樣並進行小規模的測試，以確定必須施加的化學品的量以達到一定ORP水準。此方法是通常使用的且允許估計化學品的量，雖然它並不考慮擴散或其他變數。 因此，源於該方法的結果被視為所需化學品的最低量。
在一些實施方式中，期望在最不利的區域中的ORP水準降低約0.1%、1%、5%、10%、15%、20%、25%、50%、75%、或100%之前，施加額外的化學試劑。
在本發明的某些實施方式中，其中由於大量的人集中使用符合衛生條件的區域，或者，如果有許多水流影響了符合衛生條件區域的消毒特性，或由於安全或其他的原 因，可以在符合衛生條件的區域內永久保持ORP一定期間。
另外，在本發明的某些實施方式中，僅當符合衛生條件的區域記憶體在入浴者時利用水處理，因此該處理可以不全天也不永久進行。例如，水處理可以只在白天操作，並且可以當在符合衛生條件的區域內沒有入浴者時，其在夜間可以停止。因此，當符合衛生條件的區域被有效地用於娛樂用途時，施加水處理方法。
在一些實施方式中，可以期望通過提供淡水或大型水體內不同部分的水來提高水質。這可以有利於例如稀釋來自使用者的污染物的影響，但可以對化學品產生不需要的擴散影響。
可以由下面的方程計算消毒劑組合物的最小有效量：(Boyce & Hamblin，1975)(Boyce & Hamblin，1975)
其中上述方程是點來源的解決方案，其在所述來源處以恆定的容積率Q i 和C i [μM]的濃度在深度為Z[米]的流體中排入，其中x[m]和y[m]分別是水準和垂直距離。D是特定化學品在水中的擴散係數，和K0 是第二類修正的Bessel函數。U[cm/s]是水體通過x軸的均勻流，並且y[-] 是化學品在時間尺度上的衰變過程。
最不利的區域
為了符合實施於水體的特定的微生物衛生條件，將確定所建立的部分水中的最不利的區域。最不利的區域對應於特別在所建立的部分水中通過分配器裝置施加預定量的化學品後，具有最低的ORP值的區域，並且可以發現該區域位於劃界區域或離分配器裝置最遠的區域處。可以現場確定化學品的預定量，並且其唯一目的是確定待處理的部分水內的具有最低ORP值的區域。
如果水體的表面面積小於5公頃，最不利的區域通常是水體的中央區域。
考慮了系統的不同操作條件，定義了參數確定方法。應當指出，進行恆定測量水體是不可行的，因此本公開允許提供符合特定微生物的衛生條件的水質而不要求恆定的測量。
參數確定方法是基於所確認的部分水中的水的ORP、其鹽度、其溫度、和任選的化學品擴散以及其稀釋能力。該ORP、鹽度、以及水溫可以通過經驗方法確定，如視覺檢查、基於經驗的方法、以及分析方法。本公開經過非常廣泛的研究後，已經關聯了有關水質的這些變數並解決了非常複雜的相互作用。
鹽度可通過經驗或分析方法確定，例如視覺檢驗；基於水中電導率的鹽量計；基於水的比重的比重計；或基於 水的折射率的折射儀；或可以是公知的或其他來源的資訊，等等。
水溫可通過經驗或分析方法確定，例如視覺檢驗；溫度計；熱電偶；電阻溫度探測器；高溫計；或紅外線裝置；或可以是公知的或其他來源的資訊，等等。
水的ORP可通過經驗或分析方法確定，如使用具有電極的ORP儀，以測量通過水中路線的電壓。
必須指出，水的ORP、其溫度、其鹽度、和稀釋能力可以是預先已知的或經驗確定的，因此本公開的方法可以通過這些變數的知識應用到該預定義的部分水中。
參數確定方法包括在最不利的區域內維持至少最低的ORP水準至少最小時間段，以確保在大型水體內整個已建立的部分水所要求的衛生條件。
最低ORP水準可以取決於水的鹽度，因為某些類型的微生物，如某些致病性原生動物，只能在最大鹽度以重量計為2%的水體內生長和存活。因此，最低ORP水準可以取決於水的鹽度性質，因為對於一定鹽度濃度，水將不會作為一些微生物生長的介質，並從而構成健康威脅和不衛生的條件。
另一方面，最小時間段也可以取決於水溫。水溫對於一些微生物的增殖是非常重要的因素。對於低的水溫，微生物將不會如在較高的水溫中迅速增殖，因此在本參數確定方法中考慮了這種影響。到現在為止，由於變數的複雜性及其相互影響，沒有已知的方程可以根據化學品在水中 的擴散，可以關聯在一定的部分水中保持至少最低的ORP至少最小時間段的水溫、其鹽度、和稀釋能力。這種關係是廣泛研究的結果，並且在優選的實施方式中，用於本發明方法的最低的ORP水準和最小時間段不能低於如下定義的值。
最低ORP水準：
一旦已知最不利區域中的鹽度，最低的ORP水準可以由下面的方程計算：i.當鹽度為0%至最高1.5%時，水的最低的ORP水準至少為550mV；ii.當鹽度高於1.5%，並且最高2.5%時，通過下面的方程計算水的最低的ORP水準：[最低ORP，mV]=625-50 *[水的鹽度，%(重量百分比)]；和iii.當鹽度高於2.5%時，水的最低的ORP水準至少為500mV。
上述的參數確定方法用圖表示，顯示於圖3。
例如，如果水的鹽度為1wt%(或10,000ppm)時，根據此實施方式，必須要保持的水的最低的ORP將為550mV。
另一方面，如果水具有的鹽度為例如，2wt%(或20,000ppm)，根據此實施方式，使用下面的方程計算，必須要保持的水的最低的ORP為525mV： [最低ORP，mV]=625-50 *[2]=525mV
最後，如果水的鹽度高於2.5%，例如為3wt%，必須要保持的最低ORP為500mV。
最小時間段：
最小時間段由水溫決定，並且它可以由下面的方程計算：i.當水溫為5℃至最高35℃時，由下面的方程計算最小時間段：[最小時間段，分鐘]=80-2 *[水溫，℃]；和ii.當水溫度高於35℃，並且最高45℃時，由下面的方程計算最小時間段：[最小時間段，分鐘]=5 *[水溫，℃]-165。
顯示最小時間段如何表現的曲線顯示於圖4中。
例如，如果水溫為20℃，根據下面的方程，最小時間段為40分鐘：[最小時間段，分鐘]=80-2 *[20]=40分鐘
另一方面，如果水溫為35℃至45℃，例如40℃，根據下面的方程，最小時間段為35分鐘：[最小時間段，分鐘]=5 *[40]-165=35分鐘
上述實施方式的參數確定方法被描述為只用在水溫為5℃至45℃中，因為任何其它溫度可能不適合用於娛樂用途。
參數確定方法也可以包括通過分配器裝置施加化學試 劑，以避免最不利區域中的ORP低於最低的ORP水準。
當符合衛生條件的區域中有入浴者時，水的ORP會比水中沒有入浴者時更快的降低。因此，本參數確定方法允許包括在符合衛生條件的區域中入浴者數量的影響，而這反過來又由水稀釋能力所控制。達到最低ORP水準所花費的時間將取決於所使用的符合衛生條件的區域和入浴者所遇到的稀釋。所以，ORP下降速率將取決於水中入浴者的數量，因此取決於水的稀釋能力。
水的鹽度和溫度、ORP、和化學品濃度的變數可以改變並受外部因素的影響。本公開的方法允許這些參數一定的變化，以致可以不需要持續地監測水的鹽度、水溫和重新計算最低的ORP和化學品濃度。然而，在一些實施方式中，可以不斷地延遲或即時監測水的鹽度和水的溫度，並提供回饋給控制器，該控制器相應地自動地重新計算最低ORP、最小時間段、和化學試劑的濃度。在一些實施方式中，分配器可以是自動回饋環路的一部分，其中分配器自動分配額外的化學試劑，以響應最低的ORP的減少。在一些實施方式中，可以期望週期性地測量水的鹽度和溫度，並重新計算最低ORP、最小時間段、和化學品的濃度。這樣的週期性的測量和計算可每15分鐘、每30分鐘、每1小時、每兩小時、每天6次、每天4次、每天兩次、每天一次、每週一次、或根據需要進行。
必須指出，本公開不需要物理屏障以包含待處理的部分水。相反，向該部分水中施加了化學品濃度，以符合實 施於水體的特定的微生物衛生條件。
在最不利的區域中的ORP水準降低大於最小的ORP值的20%之前，可以重複施加化學品以在至少最小時間段內維持至少最低的ORP水準。在一個可選的實施方式中，最不利區域的位置、水的鹽度和水溫可以作為外部條件的結果彼此獨立地改變。因此，本發明的方法任選地可以包含另外的步驟e，其中再次或重複地進行步驟b、c以及d。
通過分配器裝置可以將化學試劑添加到大型水體中已建立起的部分水中，其中該分配器裝置由參數確定方法驅動，該方法結合了水的ORP、其鹽度、其溫度、化學品的擴散、及其稀釋能力的影響。
化學試劑選自臭氧、氯和氯的化合物、雙胍產品、鹵素系化合物、溴系化合物、或其組合。
另外，可能通過供淡水或大型水體內的不同部分的水到該部分水中以改善符合衛生條件區域的水質，以允許對入浴者負載的污染物的稀釋效應。
下面的實施例並不旨在限制本發明的權利要求的範圍，而是旨在某些實施方式的示例。本領域技術人員提出的在例示的方法中任何變化，都將落入本發明的範圍內。
實施例
本公開的方法已用於位於智利Navidad的拉佩爾湖(Lake Rapel)。該湖具有超過8000公頃的表面，以及超 過6.95億立方米的淡水。該湖通常用於娛樂用途。
根據該湖的正常的娛樂使用，在該大型水體內建立了部分水，其覆蓋約650平方米(對應於總的湖面積的約0.0008%)。該部分水域位於湖的邊緣。該特定的實驗所要求的特定微生物條件，對應於由EPA確定的直接接觸娛樂用水的微生物法規。
在湖的北部周邊安裝了大約20個注入器。每個注入器具有的最大流量為1.8升每小時。所使用的化學試劑是次氯酸鈉，將其按與注入器流量成正比地稀釋。在1立方米容量的塑膠容器裡製備了氯在水中的溶液。通過容量為18升每分鐘的IWAKI磁力泵進行次氯酸鈉溶液的泵送。
在實驗過程中，所建立的部分水中平均每小時有60個入浴者。
向所建立的部分水中排入預定量的約1.5升10%次氯酸鈉溶液後，使用HANNA ORP HI 98201 ORP測試設備，通過在所建立的部分水中測量幾個地方內的ORP，進行了對最不利區域的確定。最不利區域位於所建立的部分水中的劃界區域的中心。用HANNA HI 931100N電導率測試測量水的鹽度。發現水的鹽度為0.07wt%，並且平均水溫為21℃，由溫度計測量。
確定了最低ORP水準，其中對於0%至最高1.5%的鹽度，水的最低的ORP水準至少為550mV。因此，鹽度為0.07%的水的最低的ORP水準應是550毫伏。
確定了最小時間段，其中對於5℃至最高35℃的水 溫，由下面的方程計算最小時間段：[最小時間段，分鐘]=80-2 *[水溫，℃]
最小時間段(分鐘)=80-2 *[21]
最小時間段=38分鐘
通過注入器加入次氯酸鈉，以在最不利區域內維持至少550mV的ORP水準38分鐘的最小時間段。首先，加入1ppm的次氯酸鈉以處理水。之後，加入次氯酸鈉以維持0.10ppm的殘餘濃度，這使得在最不利區域中保持至少550mV的ORP水準。
一旦排入總量的次氯酸鈉，測量了最不利區域中的ORP並確定為555毫伏。每60分鐘進行後續的測量。在約30分鐘後，ORP下降到490毫伏(約測得的最低的ORP的11%的下降)，在該點分配新的次氯酸鈉。
以符合衛生條件的區域中的每小時平均入浴者數反映水的稀釋能力：對於較低的入浴者密度，水的ORP將比對於較高的入浴者密度下降的更慢。此外，ORP的減少受太陽和其他變數的影響。
此實施例證實通過處理所確認的部分水，以創建符合衛生條件的區域，該符合衛生條件的區域符合EPA的直接接觸的娛樂用水的特定的微生物法規和更嚴格的衛生法規，並且通過避免整個大型水體的處理，允許施加少量的化學品。
在本實施例中應用的化學品與處理整個水體所需的化學品的量相比，至少低100個數量級。為了處理擁有超過 6.95億立方米的淡水的拉佩爾湖的整個水體，並允許其作為娛樂用途使用，必須加入一定量的化學品以確保入浴者的安全。為維持與實施例相同的ORP水準(濃度為0.10ppm的次氯酸鈉，預先加入額外的1pmm以處理水)，必須施加的次氯酸鈉的總量是約764.5噸，其超過用於處理上述實施例的部分水所需的次氯酸鈉的量的100,000倍，這在經濟上和環境上是不可行的。
1‧‧‧符合衛生標準的區域
3‧‧‧分配器裝置
4‧‧‧劃界區域

Claims (16)

  1. 一種用於控制大型水體內部分水體的微生物性質的方法，所述方法包括：a.在大型水體內確認計畫用於娛樂用途的部分水，並確定分配器裝置；b.在所述部分水中，維持至少最低的ORP水準至少最小時間段，其中所述最低的ORP水準和所述最小時間段不能低於通過如下計算的值：i.確定所述部分水中最不利區域，其中所述最不利區域在分配化學試劑後在計畫用於娛樂用途的所述部分水內呈現出最低的ORP值；ii.確定所述最不利區域處水的鹽度；iii.基於水的鹽度確定最低的ORP值，其中：-對於水中鹽度為0%至最高1.5%時，最低的ORP水準為550mV；-對於水中鹽度高於1.5%，並且最高2.5%時，通過下面的方程計算所述最低的ORP水準：[最低的ORP，mV]=625-50 *[水的鹽度，%(重量百分比)]；和-對於水中鹽度高於2.5%時，最低的ORP水準為500mV；和iv.確定最不利區域中的水溫；和v.基於所述水溫確定最小時間段，其中 -對於5℃至35℃的水溫，由下面的方程計算最小時間段：[最小時間段，分鐘]=80-2 *[水溫，℃]；和-對於35℃至最高45℃的水溫，由下面的方程計算最小時間段：[最小時間段，分鐘]=5*[水溫，℃]-165；c.分配有效量的化學試劑，以在最不利的區域內在至少最小的時間段期間維持至少最低的ORP水準，並且d.重複步驟c，以避免最不利區域中的ORP的減少大於最低的ORP值的20%。
  2. 如請求項1的方法，其還包括重複步驟b。
  3. 如請求項1的方法，其中所述水體是自然或人工水體。
  4. 如請求項1的方法，其中所述水體選自湖、海、河口、水壩、瀉湖、礦泉、水池、池塘和水庫。
  5. 如請求項1的方法，其中所述水是淡水、微鹹水、鹹水、或海水。
  6. 如請求項1的方法，其中計畫用於娛樂用途的所述部分水由劃界區域限定。
  7. 如請求項1的方法，其中計畫用於娛樂用途的所述部分水位於大型水體的邊緣。
  8. 如請求項1的方法，其中計畫用於娛樂用途的所述 部分水位於大型水體的內部。
  9. 如請求項1的方法，其中如果所述水體具有小於5公頃的表面面積，所述最不利區域是水體的中央區域。
  10. 如請求項1的方法，其中所述化學試劑選自臭氧、氯和氯的化合物、雙胍產品、鹵素系化合物、溴系化合物、及其混合物。
  11. 如請求項1的方法，其中所述化學試劑使用分配器進行分配，所述分配器選自注入器、擴散器、噴灑器、重量分配器、管道、手動施用、及其組合。
  12. 如請求項1的方法，其中所述水的ORP、鹽度、和溫度通過經驗方法確定。
  13. 如請求項1的方法，其中所述水體中不同部分的水可被供給到計畫用於娛樂用途的所述部分水中，以產生稀釋效果。
  14. 如請求項1的方法，其中所述水體中不同部分的水可被供給到計畫用於娛樂用途的所述部分水中，以允許入浴者負載的污染物的稀釋效果。
  15. 如請求項1的方法，其中在計畫用於娛樂用途的所述部分水中的所述ORP根據這樣區域的要求，在一定的時間段內被持久地保持。
  16. 如請求項1的方法，其中當所述部分水確實用於娛樂用途時，施加所述方法。
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