專利名稱：流體處理系統(tǒng)和流體處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一方面涉及一種流體處理系統(tǒng)，尤其是明渠中的紫外線(UV)水處理系統(tǒng)，當該系統(tǒng)在高流體速度下操作時，通過減少在通過最上部輻射源(例如UV輻射燈)之上的反應(yīng)器低密度區(qū)域的流量，來改善該系統(tǒng)的性能。在本發(fā)明的另一方面，通過對系統(tǒng)上游端和下游端之間的高度差進行設(shè)計，并且避免或減少低流量期間最上部輻射源(例如UV輻射燈)由于暴露導(dǎo)致的過熱，來解決上述問題。
明渠通常利用重力運輸或傳送大量的流體，并且一般由水泥制成。利用重力來避免高的泵送成本，后者在傳送渠關(guān)閉并且被加壓的時候會出現(xiàn)。通過開放的頂部而具有通向渠道的通路使得路線清潔維護更容易。因此在某些應(yīng)用中，對紫外消毒系統(tǒng)進行設(shè)計，以利用傳統(tǒng)的流體明渠來減少反應(yīng)器成本并易于維護，同時仍保持重力流動方式以避免泵送成本，這樣是有利的。
用于水處理的明渠紫外消毒系統(tǒng)一般由多個橫跨流體渠道寬度而平行設(shè)置的模塊組件(現(xiàn)有技術(shù)中也稱為“輻射源模塊”)構(gòu)成(US4482809、未決美國專利申請S.N.09/185813(1998年11月3日提交)以及未決美國專利申請S.N.09/258143(1999年2月26日提交))。這種組件的一個實例如

圖1所示。這些組件可以由多個輻射源模塊(1)構(gòu)成，例如封裝在石英套管中的紫外輻射燈，它們基本平行于流體流動的方向。模塊可以從渠道升起，用于路線維護，例如套管清潔和燈泡更換。在某些情況下，有自動清潔機構(gòu)，它由擦拭罐(2)和驅(qū)動機構(gòu)(3)構(gòu)成。流體在重力的作用下以相對自由的方式流過模塊，在上游端和下游端之間的水位需要略有不同，以使得水經(jīng)過浸沒的幾何結(jié)構(gòu)。該水位差異取決于一些因素，包括浸沒幾何機構(gòu)的復(fù)雜性、模塊之間的水平距離、流體速度等。
明渠紫外處理系統(tǒng)的效率很大程度上取決于它將達到目標消毒水平所需的紫外劑量送至每個流體元件的能力。紫外劑量定義為紫外強度與反應(yīng)器滯留時間的乘積，通常以mWs/cm2表示。微生物的失活遵循著與紫外劑量成比例的第一級動力表達式(Jagger，J.Introduction toresearch In ultraviolet photobiology.Englewood Cliffs，New Jersey；Prentice-Hall Inc.，1967；69-73頁)。因此，在經(jīng)過反應(yīng)器時向所有微生物傳送均勻的劑量能夠改善反應(yīng)器效率。
在紫外光經(jīng)過流體時，它在給定點的強度取決于所涉及波長的流體透射率。最通常使用的殺菌波長是254nm，因為該波長能利用傳統(tǒng)的低壓汞弧光燈而有效地生成。廢水通常具有低的殺菌波長透射率，從而在光從燈發(fā)出時，導(dǎo)致了紫外強度的下降。這樣形成了燈之間的最低紫外強度區(qū)域。根據(jù)水的質(zhì)量和燈的類型，需要一定的間距，以確保適當劑量的傳送和反應(yīng)器的性能。
適當劑量傳送所需停留時間取決于紫外強度。對于差的水質(zhì)，紫外透射率和平均紫外強度低，就通常需要在反應(yīng)器內(nèi)的相對較長的停留時間，以保持適當?shù)膭┝?。這通常是通過設(shè)計帶有連續(xù)設(shè)置的成排紫外模塊的紫外消毒系統(tǒng)來實現(xiàn)的。反之，對于好的水質(zhì)或者高強度輻射源，通常減少停留時間以得到同樣的劑量。這通常是通過設(shè)計較窄的流體渠、減少與寬的渠道所安裝的系統(tǒng)相比所需紫外設(shè)備量來實現(xiàn)。這樣導(dǎo)致流體以較高速度經(jīng)過模塊，在系統(tǒng)的上游端和下游端之間水位形成明顯差異。
由于每個燈發(fā)出的紫外輻射只穿過一段距離進入流體，因此每個燈能有效地處理它周圍的一層水，通常大致等于燈之間間距的一半。當大的水位差導(dǎo)致頂部燈之上的水層超過了該臨界值時，該過量的水就穿過了相對較低紫外強度的區(qū)域，以比適當劑量低的劑量離開輻射區(qū)。這種流體“短路”帶來不均勻的劑量分布，導(dǎo)致微生物基本未經(jīng)處理就流出，從而使整體反應(yīng)器性能不好。
理想的是，反應(yīng)器能夠在較寬范圍的水質(zhì)和流速內(nèi)可以避免和減少會導(dǎo)致頂部燈之上的“短路”的水位差異。浸沒的幾何結(jié)構(gòu)是由模塊組件設(shè)計所固定的，通常在不導(dǎo)致設(shè)備功能性的改變的情況下就不容易被改變。在不產(chǎn)生反應(yīng)器內(nèi)低紫外強度區(qū)域的情況下，水平間距通常不會增加。因此對于好的水質(zhì)或高強度輻射源，由于上述原因，通常重要的是以高流速操作紫外消毒系統(tǒng)。
當流體處理系統(tǒng)利用反應(yīng)器上游端和下游端之間的高度差以高流體速度操作時，理想的是能夠避免和減少紫外消毒系統(tǒng)的頂部燈之上的“短路”效應(yīng)。
因此在本發(fā)明的一個方面，提供一種流體處理系統(tǒng)，包括設(shè)置在敞開輻射區(qū)中的至少一個輻射源，該輻射區(qū)具有相對于流體出口升高的流體入口。
在本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供一種流體處理系統(tǒng)，包括設(shè)置在明渠中的輻射源陣列，靠近該陣列上游端的明渠上游端相對于靠近該陣列下游端的明渠下游端被升高。
在本發(fā)明的另一個方面，提供一種流體處理系統(tǒng)，包括彼此以不同高度設(shè)置的第一輻射區(qū)和第二輻射區(qū)，從而流體水位相對于第一輻射區(qū)和第二輻射區(qū)中的每個的頂部來說基本是標準化的。
在本發(fā)明的另一個方面，提供一種流體處理系統(tǒng)，包括多個連續(xù)設(shè)置的輻射區(qū)，它們相對于彼此升高，從而相對于每個輻射區(qū)的頂部來說使得流體水位基本標準化。
在本發(fā)明的另一個方面，提供一種流體處理系統(tǒng)，包括彼此以不同高度設(shè)置的第一輻射區(qū)和第二輻射區(qū)，從而流體水位相對于第一輻射區(qū)和第二輻射區(qū)中的每個的頂部來說基本是標準化的。
在本發(fā)明的另一個方面，提供一種流體處理系統(tǒng)，包括用于容納要被處理的流體的溝渠、第一上游輻射區(qū)和相對于第一上游輻射區(qū)成階梯狀的第二下游輻射區(qū)。
由多排液壓串聯(lián)的模塊組件構(gòu)成的紫外消毒系統(tǒng)可以利用不同高度的每個排構(gòu)成。這一點可以通過對上游排使用臺階和/或?qū)膳旁O(shè)置在斜坡上而實現(xiàn)。流體流過浸沒體導(dǎo)致的水位差(“水頭損失”)從固定的水位點例如閘門、堰等向上游傳播。
在一個實施方案中，臺階將上游排相對于下游排升高，以防止上游排的頂部燈之上的過高水位。優(yōu)選的是，該臺階包括的高度范圍大約是0.5-7.0英寸，更優(yōu)選是約0.5-5.0英寸，進一步優(yōu)選的是約1.0-4.0英寸，最優(yōu)選的是約1.0-3.0英寸。
可以使用斜坡來提供上游排的升高，從而水位需要很少或不需要變化而導(dǎo)致流體流動。優(yōu)選的是，斜坡表面包括的斜率至少大約是0.2％，更優(yōu)選是約0.2％-6.0％，進一步優(yōu)選是約0.2％-3.0％，進一步更優(yōu)選的是約0.5％-2.5％，最優(yōu)選的是約1.0％-2.0％。該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道，通過用斜坡表面的升高量除以斜坡表面的投影長度可以容易的確定“斜率”。
通過對給定處理系統(tǒng)結(jié)合速度和浸沒幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以選擇臺階的尺寸或斜坡的角度。隨著速度的增加或浸沒幾何結(jié)構(gòu)變得更受限制，流體流動需要的勢能增加，就需要較大的臺階高度或斜坡角度。當流速下降低于設(shè)計值時，升高排的頂部燈可以暴露出來，導(dǎo)致高的燈溫度，以及燈過早的損壞。可以通過將流體例如水或空氣引導(dǎo)流過燈來實現(xiàn)受影響的燈的冷卻，由此帶走熱量并降低燈的溫度?；蛘?，可以關(guān)掉受影響的燈，以減少能量損耗，并防止發(fā)生過早的高溫損壞。
優(yōu)選的是，在輻射區(qū)內(nèi)容中使用的“流體入口”一詞表示位于輻射源上游的任何平面，流體可以穿過它流動。在輻射區(qū)內(nèi)容中使用的“流體出口”一詞表示位于輻射源下游的任何平面，流體可以穿過它流動。
輻射源可以相對于穿過輻射區(qū)的流體流動方向基本平行或基本橫向(包括豎直或水平橫向)設(shè)置。
如下詳細描述，本發(fā)明的特別優(yōu)選的實施方案涉及以下的結(jié)合(i)輻射源的取向基本平行于流體穿過輻射區(qū)流動的方向；(ii)使用斜坡(例如在單個輻射源模塊的輻射區(qū)內(nèi)的平滑過渡或一系列較小的臺階(樓梯效果))，以將流體入口相對于流體出口提高。
該特別優(yōu)選的實施方案由于前述(i)和(ii)的結(jié)合而具有多個優(yōu)點，包括以下中的一個或多個
(i)對于給定的流速和浸沒幾何結(jié)構(gòu)，人們可以選擇輻射源模塊(即斜坡)的上游端和下游端之間的高度差，從而在流體經(jīng)過反應(yīng)器時水位相對于敞開輻射區(qū)底部(例如渠道底部)有很少或沒有變化。這導(dǎo)致了流體在整個反應(yīng)器中的優(yōu)化處理。
(ii)使用斜坡對于流動變化來說是更可“諒解的”。對于小于給定斜坡的最佳值的流速來說，盡管上游排的部分最上面的輻射源會暴露出來(即沒有浸沒在被處理的流體中)，大部分輻射源也會保持為浸沒。因此，采用斜坡的系統(tǒng)可以處理(例如消毒)更寬流動范圍內(nèi)的流體。
(iii)高度的逐漸變化是理想的，因為產(chǎn)生了比突然變化小的整體流動能量損耗。
(iv)流體流動中的碎屑較不容易積累。
(v)當流動方向基本與燈平行時，輻射源(例如紫外輻射燈)上的物理應(yīng)變被最小化。
(vi)輻射源(例如紫外輻射燈)被取向為對流體流動具有最小截面，從而與燈基本橫向于流動方向取向的情況相比，在流動通過反應(yīng)器時減小了水位變化。
(vii)當流體流動變化而導(dǎo)致流體水位變化時，可以按照需要打開或關(guān)閉最上部的輻射源以優(yōu)化能量消耗。
(viii)在輻射源模塊的端部而不是沿著其長度的任何部分存在較低的紫外強度區(qū)域。對于輻射源模塊基本橫向于流體流動方向取向的系統(tǒng)，那些穿過輻射源模塊端部的流體元件接收小的紫外劑量。在峰值流動期間，當流體水位超過消毒的最佳值時，過量的流體經(jīng)過在豎直取向的輻射源模塊的端部，導(dǎo)致較為不好的整體性能。對于可以在超過最佳值的流體水位操作的系統(tǒng)，提供在這些條件下消毒的優(yōu)選結(jié)構(gòu)是水平的，并平行于流體流動的方向。
圖1表示紫外輻射源模塊的模塊組件的透視圖，帶有自動的化學(xué)一機械清潔系統(tǒng)，與上述未決美國專利申請S.N.09/258143類似；圖2表示以2800L/min通過液壓串聯(lián)的兩排模塊組件的實驗導(dǎo)出的水位輪廓，其中上游排在1″臺階上；圖3表示以3600L/min通過液壓串聯(lián)的兩排模塊組件的實驗導(dǎo)出的水位輪廓，其中上游排在3″臺階上；圖4表示以4500L/min通過液壓串聯(lián)的兩排模塊組件的實驗導(dǎo)出的水位輪廓，其中上游排在5″臺階上；圖5表示以4550L/min通過液壓串聯(lián)的兩排模塊組件的實驗導(dǎo)出的水位輪廓，其中上游排在7″臺階上；圖6表示斜坡上液壓串聯(lián)的兩排模塊組件的概念表示，其流速與斜坡角度匹配，從而水位輪廓大致恒定；圖7表示以1126L/min通過0％斜坡上一排模塊組件的實驗導(dǎo)出的水位輪廓，其中只有底部兩個燈浸沒；圖8表示以1334L/min通過1％斜坡上一排模塊組件的實驗導(dǎo)出的水位輪廓，其中只有底部兩個燈浸沒；圖9表示以1389L/min通過2％斜坡上一排模塊組件的實驗導(dǎo)出的水位輪廓，其中只有底部兩個燈浸沒；圖10表示在復(fù)合斜坡上液壓串聯(lián)的兩排模塊組件的概念表示，上游排對流動具有比下游排小的的阻力，對每排的斜坡角進行選擇，從而得到通過每排的大致恒定的水位輪廓；圖11表示在斜坡上液壓串聯(lián)的兩排模塊組件的概念表示，對臺階高度進行選擇以防止在上游排頂部燈之上造成“短路”；圖12表示在同樣的斜坡角上液壓串聯(lián)的兩排模塊組件的概念表示，插入在排之間的水平部分允許排之間的距離增加，而不會導(dǎo)致高度的不必要增加；圖13表示液壓串聯(lián)的兩排模塊組件的概念表示，對每排進行渠道寬度的選擇，從而可以充分的降低速度，以彌補穿過上游排的某些水位差，以及減少穿過下游排的水位差；
圖14表示在可變斜坡上液壓串聯(lián)的兩排模塊組件的概念表示，可變斜坡通過機械促動器響應(yīng)于流量或水位的測量值來調(diào)整，以保持理想的水位輪廓；圖15表示利用頂部燈暴露的一排模塊組件進行測試的概念表示，安裝了水位傳感器以響應(yīng)低水位條件來關(guān)閉暴露的燈，安裝了風(fēng)扇以在水位傳感器不能工作時在暴露的燈上吹冷空氣，對套管表面上的兩個溫度測量點進行選擇，以檢測燈溫度的空氣冷卻效果。
優(yōu)選實施方案的詳細說明在明渠流體工程中通常利用高度差來使得水在重力的作用下從一個區(qū)域流到另一個區(qū)域。這些水位差可以是突然的，例如流體渠中的臺階，或是逐漸的，例如斜坡。在明渠流體工程中使用臺階或斜坡已經(jīng)有很多的記載(Tchobanoglous，G.Wastewater EngineeringCollectionand Pumping of Wastewater.New York，NYMcGraw-Hill，1981年；10-11頁，44-45頁；Henderson，F(xiàn).M.Open Channel Flow.New York，NYMacMillan Publishing Co.，1966年；30-31頁，106-107頁，212-213年)。但是當在流體渠中設(shè)置流體阻礙元件(例如紫外消毒設(shè)備)時，如在這些文獻中所述，流體的液壓(例如水頭損失、速度、紫外反應(yīng)器效率等)受到明顯的影響。
有臺階的渠道通常引發(fā)更多的紊流，并與提供更平緩的能量變化的傾斜渠道相比，會導(dǎo)致更大的整體能量損失。這兩種構(gòu)成方法導(dǎo)致了大于或等于通過水平渠道的水流水頭損失的總體水頭損失。本發(fā)明的目的在于不必減少經(jīng)過紫外消毒設(shè)備的總體水頭損失，而是在高流速操作時維持經(jīng)過紫外消毒反應(yīng)器的恒定水位，由此在這些條件下改善系統(tǒng)性能。
當在明渠內(nèi)安裝紫外系統(tǒng)時，通常在系統(tǒng)的下游安裝一設(shè)備，以提供流動的阻力并使得燈被浸沒。該設(shè)備一般是某些類型的閘門、堰等。根據(jù)該固定的最小高度，流體流經(jīng)該設(shè)備所需的水位差向上游傳遞。在高流速條件下，當水位差大時，多排系統(tǒng)的上游排最容易在頂部燈之上“短路”。通過相對于其下游的一個而升高每個排，例如通過將其放置一個臺階上，頂部燈被保持為更靠近水表面，由此保持可以被單個燈處理的臨界水層，并保持給基本所有頂層流體傳送適當?shù)膭┝俊?br> 利用在液壓串聯(lián)的兩排中的每一排中與圖1所示類似的具有四個輻射源模塊的紫外系統(tǒng)進行實驗，其中模塊之間有3″間隔。將交替的模塊相對于流動方向轉(zhuǎn)動180°，并錯開7″以對準弧長度。改變流速以得到0.59m/s至1.09m/s的流速范圍。使用高度為1、3、5和7″的臺階，分別如圖2、3、4和5所示，以提高上游排，來防止在頂部燈之上形成“短路”。前面的測試表明速度小于0.5m/s不需要臺階。7″臺階在流速大于1m/s時產(chǎn)生較為嚴格的流動條件，在兩個排之間最顯著。在測試過程中，排之間的間距被增加至7英尺，以允許第二排的上游流動穩(wěn)定。在這些條件下，水位仍然由于波而快速的變化，使得精確的測量變得困難。排之間距離的增加允許使用7″臺階。
圖2-5表示具有不同臺階高度的代表性水位輪廓。隨著流速的增加，對上游排(1)使用較大的臺階高度(3)。在渠道底部上顯示出下游排(2)。對每個臺階高度使用至少三個不同的流速。在每個圖中顯示出在給定的一套測試條件下從實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出的代表性水位輪廓(4)。隨著臺階高度的增加，可以被處理并且在頂部燈之上不形成“短路”的流速增加。表1中列出了從所有實驗收集的數(shù)據(jù)總和，表示在上游排和下游排的中點測量的水位。要指出的是參考渠道底部測量水位，因此對上游排測量的水位包括臺階高度。
通過紫外燈弧長度的目標水位是12″。覆蓋至少部分燈的最小水位是10″。該數(shù)據(jù)表示隨著流速(速度)增加，所需的臺階高度也增加，以保持12″的最大水位限制。通過第一排的速度一般略高于通過第二排的速度。這是因為與其余的渠道相比，臺階上的水位降低。上游排的較高速度通常在流體離開模塊組件之間的區(qū)域時導(dǎo)致形成“水躍”。這些水躍是由于從亞臨界至超臨界流動的過渡形成的，這會導(dǎo)致流體能量損失并返回亞臨界條件。水躍通常表明它們是駐波。這些駐波導(dǎo)致高的水位差，有時可以看見該水位差越過第一排并以高流速越過第二排。
總的水頭損失是每排水位差的總和，而總的水位變化是越過兩排的水位差。總的水頭損失通常高于總的水位差。這表明采用臺階的目的不必是減少通過多排紫外系統(tǒng)的兩排的能量損失總量，而是控制通過弧長度的水位，以改善在高流體速度的消毒性能。
通過解釋表1中的數(shù)據(jù)，可以確定一定高度的臺階可應(yīng)用的速度范圍。這些總結(jié)在表2中。可以看出，通過采用適當高度的臺階，可以用于明渠紫外系統(tǒng)并同時減少或避免頂部燈之上的“短路”形成的速度范圍大致被加倍。
隨著勢能被轉(zhuǎn)換為動能，水開始流動。通過渠道的潤濕截面面積以及流體速度的乘積可以確定流體流速。隨著水流通過水平渠道，它的水位隨著勢能的減少而降低。對于恒定的水流量，隨著水位下降，速度必須提高，因為勢能被轉(zhuǎn)換為動能。
建有斜坡的渠道其一端高于另一端。隨著流體流過渠道，渠道底部的高度差導(dǎo)致勢能的變化，意味著需要較小的水位變化以提供流體流動的動能。保持水位恒定所需斜率取決于保持恒定流速所需動能。隨著渠道的物體增加，提高了摩擦損失，需要較大的渠道斜率來減少水位變化的任何負作用。
在傾斜渠道上安裝紫外消毒系統(tǒng)導(dǎo)致了摩擦損失。摩擦損失是浸沒幾何結(jié)構(gòu)和流體速度的函數(shù)。對于給定的流體速度和紫外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，存在優(yōu)選的渠道斜率，它在水經(jīng)過該系統(tǒng)時導(dǎo)致水位少量或沒有變化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指渠道寬度、模塊組件之間的間距以及所有水線以下元件的設(shè)計。在水經(jīng)過系統(tǒng)時這些就決定了總體能量損失，因此就確定了保持恒定的水位所需的斜坡。
圖6表示設(shè)計有傾斜渠道底部的兩排系統(tǒng)的概念表示。流體沿著傾斜的斜坡方向流動，由箭頭(5)來表示。如果斜坡是針對設(shè)計流速正確選擇的，越過上游排(1)和下游排(2)的水位輪廓(3)實際上就與渠道底部(4)平行。堰(7)包括在第二排的下游，以保持水位越過燈。在該概念圖中所示的傾斜角(6)比在廢水處理廠中一般流速范圍所需要的更陡。
利用三個紫外模塊的單個排進行實驗，該三個模塊在傾斜渠道內(nèi)間隔3″分開，如上所述。通過調(diào)整起重機構(gòu)可以將斜率從-1％變至6％(在傾斜方向的正斜率)。通過改變渠道內(nèi)的流速和水深，在57個獨立的實驗中測試0.3-0.9m/s的流速范圍。這些實驗的結(jié)果用于對給定的速度和浸沒幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)合預(yù)測減少頂部燈之上的過量水層的產(chǎn)生所需最佳斜率。
表3表示在渠道底部沒有使用斜坡顯示的速度導(dǎo)致的水位變化。如所預(yù)料的，隨著速度的增加，水位變化也增加，因為摩擦損耗與速度的平方成比例。對于這種燈間距和所得到的浸沒幾何結(jié)構(gòu)，大于1″的水位變化被認為是不理想的，因為它導(dǎo)致在多排系統(tǒng)中上游排內(nèi)的頂部燈之上的水“短路”。大于約0.5m/s的速度導(dǎo)致這種情況，這是不理想的。
對于可以獲得的最高速度，渠道底部的斜率被增大以觀察到對水位差的影響。由于最大流量由泵的能力所限制，因此降低下游堰的高度以減少流量的可獲得的截面面積，由此提高了渠道內(nèi)的速度。較低的水位導(dǎo)致四個燈的模塊組件中只有底部兩個燈被水覆蓋，因為在不打開燈的情況下進行傾斜渠道測試，因此頂部燈的暴露是不重要的。
高速實驗的數(shù)據(jù)如圖7-9所示。在每個圖中顯示了如上所述三個模塊組件(3)的單個排的流速(1)和斜率(2)。也表示了從實驗數(shù)據(jù)中導(dǎo)出的水位輪廓(4)。如上所討論的，在每次測試中頂部兩個燈(5)和(6)被暴露，以獲得高的流速。從這一系列實驗中獲得的結(jié)果的總結(jié)如表4所示。
對于沒有斜坡產(chǎn)生的不可接受水位差的速度，實施1％的渠道斜率導(dǎo)致水位近乎沒有損失，或者流動輪廓線近似平行于整個紫外反應(yīng)器的渠道底部。恒定的水位輪廓對流經(jīng)反應(yīng)器的所有水提供均勻的紫外劑量傳送，因此產(chǎn)生了優(yōu)良的消毒性能。當斜率提高至2％，負的水位差意味著反應(yīng)器的下游水位實際上高于上游水位。這表示2％的斜率對這種速度和浸沒幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)合提供了過大的勢能變化，再次導(dǎo)致過量的水位差以及頂部燈之上的“短路”。對于這種浸沒的幾何結(jié)構(gòu)，0.9m/s的速度最好用大致1％的斜率處理。
改變浸沒的幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致給定的速度需要不同的斜率。表5表示將中心模塊組件相對于其余兩個模塊取向180°，并向下游錯開2.5″所收集的數(shù)據(jù)。這導(dǎo)致了相鄰模塊組件的清潔機構(gòu)不直接位于彼此旁邊，對通過該系統(tǒng)的流體提供了較小的整體限制。沒有任何斜坡時，在同樣的流速，水位差從3.1″降低至1.5″。在負水位差中導(dǎo)致的1％斜率表明該斜率對于給定的速度和浸沒幾何結(jié)構(gòu)的組合來說過大。因此防止在頂部燈之上形成“短路”所需的斜率不只是速度的函數(shù)，也是在渠道內(nèi)安裝的浸沒幾何結(jié)構(gòu)的函數(shù)，并隨著對流體流量限制的減少而減少。
如果在多排系統(tǒng)中每個排中采用不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，每個排所需斜率不同。圖10表示一個建有帶一個傾斜角(3)的上游排(1)和帶有更陡的傾斜角(4)的下游排(2)的系統(tǒng)。在所示的實施方案中，較少限制的浸沒幾何結(jié)構(gòu)用于上游排(1)。如果所述角度是針對給定的浸沒幾何結(jié)構(gòu)和流速的結(jié)合正確選擇的，那么水位輪廓(5)大致平行于每個傾斜部分(3)和(4)的渠道底部。同樣的概念可以用于較小限制的幾何結(jié)構(gòu)和較小傾斜角的下游。
圖11表示建有臺階(3)上的上游排(1)的系統(tǒng)，該臺階被加至斜坡(4)，以相對于下游排(2)提高上游排(1)。相對于兩個不同斜坡來說，這種布局可以用來簡化結(jié)構(gòu)，并且對給定的速度和浸沒幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)合來說可以選擇較小的傾斜角(5)。
圖12表示斜坡(4)和(5)之間的水平部分(3)。當排之間的最小距離被物理限制條件所限制時，可以安裝該部分以防止上游排(1)的不必要升高。增加水平部分不會必然影響通過上游排(1)和下游排(2)的水位輪廓(6)。斜坡(4)和(5)可以具有類似或不同的角度。
可以利用渠道寬度的調(diào)整來改變多排系統(tǒng)中的水位，如圖13所示。上游排(1)建有比下游排(2)窄的渠道截面積。這導(dǎo)致速度隨著流體從(1)流至(2)而下降，以及穿過排的水位的相應(yīng)升高?？梢愿鶕?jù)浸沒幾何結(jié)構(gòu)和流速來選擇寬度比例，從而水位輪廓保持為基本恒定。
通過調(diào)整紫外設(shè)備或渠道底部，可以根據(jù)流速的變化施加可變的斜率，如圖14所示。根據(jù)流量或水位測量值來調(diào)整促動器(3)，從而保持通過上游排(1)和下游排(2)的理想水位輪廓(4)。樞軸點(5)可以位于堰(6)的下游，在(6)和(2)之間，或在(1)和(2)之間。使用鉸接的滑動擋板(7)來防止流體流經(jīng)可調(diào)整的渠道底部(8)之下，這會導(dǎo)致不好的消毒性能，并導(dǎo)致碎屑的積累。
在前述任何一個圖中描述的任何方法可以單獨使用或結(jié)合使用，用于紫外反應(yīng)器中水位的整體管理。
系統(tǒng)不必設(shè)計有為了在最大流量保持水位輪廓平行于斜坡所選擇的斜率。至于建在水平渠道內(nèi)的系統(tǒng)，允許一定量的水位降低，同時仍然保持消毒性能。通過設(shè)定系統(tǒng)尺寸，從而存在越過所有排的水位降低允許量，一般是等于燈之間間距的一半加上套管直徑的一半，可以使用較小的傾斜角。這導(dǎo)致水位輪廓以比最大流速小的流速平行于渠道底部，從而增大了可以被該系統(tǒng)優(yōu)化處理的流速范圍。這種處理寬范圍流速的能力是重要的，因為廢水處理廠很少在其峰值流速進行操作。
由于水位變化從固定點向上游傳播，如上面對堰的描述，在低流量條件中升高的上游排的頂部燈可能暴露。不充分的冷卻可能導(dǎo)致高的燈溫度，這會損害燈的壽命。一種防止這種情況發(fā)生的可能方法涉及頂部燈的冷卻，例如通過引導(dǎo)冷流體例如水或空氣流動。這可以連續(xù)操作，從而在燈暴露的時候進行冷卻，或者響應(yīng)來自傳感器的信號而啟動。傳感器可以根據(jù)燈溫度、水位或紫外強度的檢測來起作用。如果采用一個或多個傳感器，可以用信號來關(guān)閉受影響的燈，以防止損壞和不必要的操作成本。這可以選擇使用或與燈冷卻結(jié)合使用，以為暴露的燈提供保護。
利用八個模塊組件的排在充有水的測試渠道內(nèi)進行試驗。圖15表示示意圖。在排(1)和管道(3)的上游安裝風(fēng)扇(2)，從而將室溫(大約20℃)空氣流(4)朝著排的頂部燈(5)引導(dǎo)。在上游端(6)和下游端(7)的每個燈周圍的保護石英套管外側(cè)安裝熱電偶。排中心的一個燈在套管內(nèi)部燈的兩端裝有熱電偶。也對離開排(8)的空氣溫度進行測量。利用annemometer測量來自風(fēng)扇的空氣流量。利用IL-1700輻射計來測量其中一個頂部燈的強度，以利用溫度測量值參照燈輸出。在排(1)的上游安裝水位傳感器(9)，以生成可以用于關(guān)閉燈、打開風(fēng)扇或兩者都進行的低水位信號。類似的信號可以由流量傳感器或溫度傳感設(shè)備生成。這些傳感器可以位于排的上游，如圖所示，或者可以在系統(tǒng)能產(chǎn)生適當條件以提供切換信號的任何其他位置。測試的結(jié)果如表6所示。模塊從左至右標明為M1-M8，沿著空氣流動的方向看。
當暴露于不流動的空氣中時，陣列中央的燈溫度達到160℃。通過用空氣冷卻，燈溫度可以降至大約120℃。該溫度被認為是能保持這種類型燈壽命的可接受的燈操作溫度。對于越過八個模塊組件的排的變化，上游測量點(6)的平均套管溫度變化為±2.5℃，下游測量點(7)為±6.0℃，在95％的置信區(qū)間。這是整個排的可接受區(qū)間，表明一個風(fēng)扇足以對至少八個模塊組件進行空氣冷卻。
當紫外系統(tǒng)在高流速操作時可以施加高度差，以防止頂部燈之上的“短路”，這能夠確保達到整體消毒水平。數(shù)據(jù)和圖表示了可以使用的各種系統(tǒng)構(gòu)造。在低流量期間，上游排的升高可以導(dǎo)致模塊組件的頂部燈暴露，導(dǎo)致過早的熱失敗。通過使用冷卻設(shè)備，或通過將燈關(guān)閉，可以防止這種失敗。本發(fā)明的新穎之處在于結(jié)合了這兩種想法，使得紫外系統(tǒng)可以在比其他方法獲得的流速高許多的流速下操作，而不會損害整體系統(tǒng)性能同時在低流量期間維持燈的壽命。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照示例性實施方案和實施例進行了描述，但是這種描述不是一種限制。因此本領(lǐng)域的技術(shù)人員在參考的本發(fā)明之后，可以對該示例性實施方案，以及本發(fā)明的其他實施方案作出各種改進。因此，以所附權(quán)利要求覆蓋任何這些改進和具體化。
此處提及的所有公開出版物、專利和專利申請以它們的全文引入作為參考，如同每個出版物、專利或?qū)＠暾埍痪唧w而且單獨的提出而以它自身的全文引入作為參考。
表1-數(shù)據(jù)總表-有臺階的渠道試驗

表2不同臺階高度的速度范圍總表

表3在三種速度下沒有斜坡的水位變化

表4在0.9m/s時3個不同斜率的水位變化

表5在0.9m/s時2個不同斜率下以及較少限制的浸沒幾何結(jié)構(gòu)的水位變化

表6用空氣冷卻的燈

權(quán)利要求
1.一種流體處理系統(tǒng)，包括設(shè)置在敞開輻射區(qū)的至少一個輻射源，該輻射區(qū)具有相對于流體出口而升高的流體入口。
2.如權(quán)利要求1的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個輻射源被設(shè)置成與流體流向敞開輻射區(qū)的方向基本平行。
3.如權(quán)利要求1的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個輻射源被設(shè)置成基本在流體流向敞開輻射區(qū)的方向的橫向。
4.如權(quán)利要求1的流體處理系統(tǒng)，其中敞開輻射區(qū)包括明渠。
5.如權(quán)利要求4的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括在流體入口和流體出口之間設(shè)置的傾斜表面。
6.如權(quán)利要求4的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括在流體入口和流體出口之間設(shè)置的多個傾斜表面。
7.如權(quán)利要求6的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面具有基本相同的斜率。
8.如權(quán)利要求6的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面具有基本不同的斜率。
9.如權(quán)利要求5的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面是可調(diào)的。
10.如權(quán)利要求5的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面連接流體入口和流體出口。
11.如權(quán)利要求5的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面包括至少約0.2％的斜率。
12.如權(quán)利要求5的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面包括約0.2％至約6.0％范圍內(nèi)的斜率。
13.如權(quán)利要求5的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面包括約0.2％至約3.0％范圍內(nèi)的斜率。
14.如權(quán)利要求5的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面包括約0.5％至約2.5％范圍內(nèi)的斜率。
15.如權(quán)利要求5的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面包括約1.0％至約2.0％范圍內(nèi)的斜率。
16.如權(quán)利要求1的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個輻射源與傾斜表面基本平行。
17.如權(quán)利要求1的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括設(shè)置在流體入口和流體出口之間的至少一個階梯狀平臺，該至少一個階梯狀平臺包括至少一個輻射源。
18.如權(quán)利要求17的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個階梯狀平臺包括約0.5至約7.0英寸范圍內(nèi)的高度。
19.如權(quán)利要求17的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個階梯狀平臺包括約0.5至約5.0英寸范圍內(nèi)的高度。
20.如權(quán)利要求17的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個階梯狀平臺包括約1.0至約4.0英寸范圍內(nèi)的高度。
21.如權(quán)利要求17的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個階梯狀平臺包括約1.0至約3.0英寸范圍內(nèi)的高度。
22.如權(quán)利要求17的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括在流體入口和流體出口之間設(shè)置的多個階梯狀平臺。
23.如權(quán)利要求17的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個輻射源基本平行于階梯狀平臺。
24.如權(quán)利要求1的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括設(shè)置在流體入口和流體出口之間的至少一個傾斜表面和至少一個階梯狀平臺的結(jié)合。
25.如權(quán)利要求1的流體處理系統(tǒng)，包括設(shè)置在陣列中的多個輻射源。
26.如權(quán)利要求25的流體處理系統(tǒng)，其中該陣列包括設(shè)置在輻射源模塊內(nèi)的多個輻射源。
27.如權(quán)利要求25的流體處理系統(tǒng)，其中該陣列包括多個輻射源模塊。
28.如權(quán)利要求27的流體處理系統(tǒng)，其中多個輻射源模塊相對于穿過系統(tǒng)的流體流動串聯(lián)設(shè)置。
29.如權(quán)利要求27的流體處理系統(tǒng)，其中多個輻射源模塊相對于穿過系統(tǒng)的流體流動平行設(shè)置。
30.如權(quán)利要求1的流體處理系統(tǒng)，其中敞開輻射區(qū)包括基本恒定的寬度。
31.如權(quán)利要求1的流體處理系統(tǒng)，其中敞開輻射區(qū)包括可變寬度。
32.如權(quán)利要求27的流體處理系統(tǒng)，其中多個輻射源模塊相對于穿過系統(tǒng)的流體流動串聯(lián)并平行設(shè)置。
33.一種流體處理系統(tǒng)，包括設(shè)置在明渠內(nèi)的輻射源陣列，靠近陣列上游端的明渠上游端相對于靠近陣列下游端的明渠下游端而升高。
34.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個輻射源被設(shè)置成與流體流向敞開輻射區(qū)的方向基本平行。
35.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個輻射源被設(shè)置成基本在流體流向敞開輻射區(qū)的方向的橫向。
36.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中敞開輻射區(qū)包括明渠。
37.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中敞開輻射區(qū)包括連續(xù)的明渠。
38.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括在流體入口和流體出口之間設(shè)置的傾斜表面。
39.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括在流體入口和流體出口之間設(shè)置的多個傾斜表面。
40.如權(quán)利要求39的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面具有基本相同的斜率。
41.如權(quán)利要求39的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面具有基本不同的斜率。
42.如權(quán)利要求38的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面是可調(diào)的。
43.如權(quán)利要求38的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面連接流體入口和流體出口。
44.如權(quán)利要求38的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面包括至少約0.2％的斜率。
45.如權(quán)利要求38的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面包括約0.2％至約6.0％范圍內(nèi)的斜率。
46.如權(quán)利要求38的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面包括約0.2％至約3.0％范圍內(nèi)的斜率。
47.如權(quán)利要求38的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面包括約0.5％至約2.5％范圍內(nèi)的斜率。
48.如權(quán)利要求38的流體處理系統(tǒng)，其中傾斜表面包括約1.0％至約2.0％范圍內(nèi)的斜率。
49.如權(quán)利要求38的流體處理系統(tǒng)，其中輻射源與傾斜表面基本平行。
50.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括設(shè)置在流體入口和流體出口之間的至少一個階梯狀平臺，該至少一個階梯狀平臺包括輻射源陣列。
51.如權(quán)利要求50的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個階梯狀平臺包括約0.5至約7.0英寸范圍內(nèi)的高度。
52.如權(quán)利要求50的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個階梯狀平臺包括約0.5至約5.0英寸范圍內(nèi)的高度。
53.如權(quán)利要求50的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個階梯狀平臺包括約1.0至約4.0英寸范圍內(nèi)的高度。
54.如權(quán)利要求50的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個階梯狀平臺包括約1.0至約3.0英寸范圍內(nèi)的高度。
55.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括在流體入口和流體出口之間設(shè)置的至少一個階梯狀平臺，該至少一個階梯狀平臺包括陣列。
56.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括在流體入口和流體出口之間設(shè)置的多個階梯狀平臺。
57.如權(quán)利要求56的流體處理系統(tǒng)，其中每個階梯狀平臺包括一個輻射源陣列。
58.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括至少一個傾斜表面和至少一個階梯狀平臺的結(jié)合。
59.如權(quán)利要求38的流體處理系統(tǒng)，其中該至少一個輻射源基本平行于傾斜表面。
60.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中該陣列包括設(shè)置在輻射源模塊內(nèi)的多個輻射源。
61.如權(quán)利要求60的流體處理系統(tǒng)，其中該陣列包括多個輻射源模塊。
62.如權(quán)利要求61的流體處理系統(tǒng)，其中多個輻射源模塊相對于穿過系統(tǒng)的流體流動串聯(lián)設(shè)置。
63.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括基本恒定的寬度。
64.如權(quán)利要求33的流體處理系統(tǒng)，其中明渠包括可變寬度。
65.如權(quán)利要求61的流體處理系統(tǒng)，其中多個輻射源模塊相對于通過系統(tǒng)的流體流動平行設(shè)置。
66.如權(quán)利要求61的流體處理系統(tǒng)，其中多個輻射源模塊相對于穿過系統(tǒng)的流體流動串聯(lián)并平行設(shè)置。
67.一種流體處理系統(tǒng)，包括多個串聯(lián)設(shè)置的輻射區(qū)，它們相對于彼此升高，從而相對于每個輻射區(qū)的頂部基本使流體水位標準化。
68.一種流體處理系統(tǒng)，包括彼此以不同高度設(shè)置的第一輻射區(qū)和第二輻射區(qū)，從而相對于第一輻射區(qū)和第二輻射區(qū)的每個的頂部基本使得流體水位標準化。
69.如權(quán)利要求68的流體處理系統(tǒng)，其中第一輻射區(qū)相對于第二輻射區(qū)成階梯狀。
70.如權(quán)利要求68的流體處理系統(tǒng)，其中第一輻射區(qū)相對于第二輻射區(qū)傾斜。
71.一種流體處理系統(tǒng)，包括用于容納要被處理的流體的溝渠、第一上游輻射區(qū)和相對于第一上游輻射區(qū)升高的第二下游輻射區(qū)。
72.如權(quán)利要求71的流體處理系統(tǒng)，其中第一輻射區(qū)相對于第二輻射區(qū)成階梯狀。
73.如權(quán)利要求71的流體處理系統(tǒng)，其中第一輻射區(qū)相對于第二輻射區(qū)傾斜。
全文摘要
通常希望在高流體速度下操作紫外(UV)水處理系統(tǒng)，例如當需要低的紫外劑量時，被處理的水的紫外透射率是高的時候，或者當使用高強度輻射源時。明渠紫外流體處理系統(tǒng)在高流速下的操作導(dǎo)致不成比例量的水穿過頂部燈之上的較低強度區(qū)域。這樣導(dǎo)致了不均勻的紫外劑量傳送以及不好的反應(yīng)器性能。在本發(fā)明的一個實施方案中，通過將通向流體處理系統(tǒng)的輻射區(qū)的入口相對于出口升高，可以減少穿過頂部燈之上的水量，改善系統(tǒng)整體性能。升高的部件可以包括渠道內(nèi)的臺階和斜坡，或兩者的結(jié)合。根據(jù)升高的幅度，可以獲得大約兩倍的最大流速。實踐中，必須設(shè)置防止在低流量期間升高的排的暴露的輻射源損壞的部件。這可以由在檢測到低水位或高溫的時候關(guān)閉受影響的燈的機構(gòu)、或燈冷卻部件構(gòu)成。
文檔編號C02F1/32GK1438971SQ01806381
公開日2003年8月27日 申請日期2001年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月10日
發(fā)明者羅伯特·A·H·布魯奈特, 喬治·特勞本貝格, 毛鐵, 費雷茲·侯賽因 申請人:特洛伊人技術(shù)公司