Настоящая заявка является зависимой от предварительной заявки 60/003485, поданной 08.09.1995. Настоящее изобретение сделано при поддержке правительства в соответствии с контрактом DE-AC03-76SF00098 между факультетом энергии Калифорнийского университета для обеспечения проведения работ Национальной лабораторией Лоуренса Беркли. Правительство США имеет некоторые права на настоящее изобретение.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к дезинфекции воды и потоков других жидкостей с помощью ультрафиолетового излучения. Общеизвестные притязания устройств для дезинфекции воды с помощью ультрафиолетового излучения, в которых нашли применение лампы с кварцевыми или тефлоновыми защитными кожухами, гарантируют полную обработку потока воды. Применение таких защитных кожухов имеет недостатки, связанные с высокой стоимостью, а также утечками, обрастанием биомассой, пленками и осаждением химических веществ.
Первые устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения. Первые устройства для дезинфекции питьевой воды с помощью ультрафиолетового излучения были разработаны в начале этого столетия. Также как и в современных устройствах для дезинфекции воды с помощью ультрафиолетового излучения в устройствах такого типа поток необработанной воды направляется вокруг лампы ультрафиолетового излучения, герметизированной в кварцевой изолирующей трубке. Это было сделано для обеспечения возможности использования лучей, испускаемых в любом направлении, и для того, чтобы гарантировать полную обработку воды.
В патенте США 1307500, выданном Кейзу 24 июня 1919 года, описан стерилизатор с кварцевой изолирующей трубкой для лампы ультрафиолетового излучения, предназначенный для стерилизации воды или молока, которые проходят через систему их подачи самотеком. Для направления потока обрабатываемой жидкости предусматриваются горизонтальные рифленые дефлекторы и каналы.
В патенте США 1367090, выданном Полу 1 февраля 1921 года, описано применение большого бака для питательной воды и пропускание воды дважды через узкий канал мимо лампы ультрафиолетового излучения, заключенной в кварцевую изолирующую трубку, с перемешиванием для более равномерного распределения воды между обработками. Эти элементы были предусмотрены в стремлении обеспечения полной обработки конечного продукта. Для направления дивергентных лучей по измененному технологическому маршруту к воде применяли отражатель.
Некоторые из многих первых систем, предложенных Генри и др., имели лампу, окруженную кварцевыми окнами, через которые вода подвергается облучению. Для обеспечения облучения воды в процессе многократных прохождений в радиальном направлении вблизи излучения Генри и др. описывают применение ультрафиолетового излучения в кварцевой защитной трубке. Вихревые течения в питательной воде получали с помощью ламинаризирующих перфорированных направляющих или плоских дефлекторов (патент США 1200940, выданный 10 октября 1916 года, и выделенный патент США 1473095, выданный 6 ноября 1923 года). В одном патенте Генри и др. поток питательной воды проходит под лампой в кварцевом кожухе (патент США 1193143, выданный 1 августа 1916 года).
Хотя эти более ранние системы послужили первыми моделями для более поздних систем ультрафиолетового излучения, они были быстро оттеснены более привлекательными и практичными способами дезинфекции воды. Первые конструкции устройств для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения имели очень высокие эксплуатационные расходы. Кроме того, предложенное оборудование оказалось ненадежным и требующим сложного технического обслуживания. Вскоре было установлено, что хлорирование как бы является более эффективным и надежным способом дезинфекции воды.
Современные устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения. Обычная технология, использующая ультрафиолетовое излучение, стала значительно более зрелой, как только исследования, проведенные в этом столетии, сделали дезинфекцию с помощью ультрафиолетового излучения практически целесообразной. Технология ультрафиолетового излучения стала менее дорогой, и сложные современные устройства дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения с недавнего времени начинают получать все большее распространение, особенно в Европе. Хотя такая технология обработки еще очень дорога, беспокойство о здоровье населения, связанное с применением стандартной технологии дезинфекции посредством хлорирования, привело некоторые богатые сообщества к применению дорогих современных устройств для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения с целью уменьшения воздействия хлора на здоровье людей. К 1990 году в Европе приблизительно в 2000 муниципальных установках для очистки воды уже применяли системы дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения.
Современные системы, как правило, требуют применения сложных схем циркуляции. Поскольку погруженные лампы ультрафиолетового излучения требуют кварцевого защитного кожуха, который регулярно подвергается воздействию наращивания минеральных осадков и биомассы, многие системы предусмотрены с механизмами, которые непрерывно очищают эти поверхности (патент США 3562520, выданный Хиппену 9 февраля 1971 года); патент США 4899056, выданный Элнеру 6 февраля 1990 года). Описано частичное погружение ламп в поддающийся изменению поток (патент США 5208461, выданный Типону 4 мая 1993 года). Заключение питательной воды в защитный кожух в змеевике, свернутом вокруг лампы, также нашло применение (патент Индии 373/CAL/87, выданный Ноллу 7 мая 1991 года).
Вследствие ограничений дезинфекции стандартных систем для биологической очистки с помощью ультрафиолетового излучения разработаны устройства ультрафиолетового излучения, которые комбинируют другие способы дезинфекции для того, чтобы гарантировать полную безопасность очищенной воды. В патенте США 4204965, выданном Флатову 37 мая 1980 года, описана комбинация множества ламп ультрафиолетового излучения с введением озона при обработке с помощью ультрафиолетового излучения для дополнительной дезинфекции. В патенте США 4615799, выданном Мортенсену 7 октября 1986 года, а также в патенте США 4902411, выданном Лину, описана очистка питательной воды посредством фильтра с активированным углем перед обработкой с помощью ультрафиолетового излучения.
Технологии очистки воды в развивающихся странах. В развивающихся странах дезинфекция общественного водоснабжения обычно не используется. Особые проблемы возникают в этих сообществах при получении безопасной для питья воды вследствие строгих ограничений в этих странах инвестиций в общественное водоснабжение, недостатка квалифицированного персонала, нерегулярности водоснабжения и изоляции. Например, в течение дождливого сезона болезнетворные микроорганизмы, зарождающиеся в воде, часто наводняют обычные источники водоснабжения. В то же самое время сообщество отрезано от медицинской помощи и источников безопасной воды. В результате много людей умирает.
Глубокие трубчатые колодцы являются типичными источниками питьевой воды для многих сельских семей в таких странах, как Индия. Поскольку колодцы имеют глубину более 200 футов, вода герметизирована под непроницаемым слоем земли в течение длительного периода времени и обычно не содержит бактерий. К сожалению, глубокие колодцы могут быть дорогими и трудоемкими при строительстве вследствие требования специализированного оборудования для глубокого бурения. Такие ограничения делают такие источники воды недоступными для многих сельских сообществ.
Дезинфекция хлорной известью является другим способом, используемым сельскими сообществами для получения безопасной питьевой воды. Этот способ позволяет уничтожить все болезнетворные микроорганизмы, включая микроорганизмы, приводящие к лямблиозу. Кроме того, при повторном попадании бактерий в хлорированные водные ресурсы новые бактерии погибают. Ограничение такой технологии в сельских областях заключается в том, что воду просто передозировать хлором, и по этой причине часто требуется недоступный обученный технический персонал для контроля уровня содержания хлора перед подачей очищенной воды для потребления. Большую важность представляет то, что для обеспечения дезинфекции требуется постоянная подача хлорной извести. Это ограничение считалось главной причиной эпидемии холеры в Индии в 1994 году, когда прервался канал подачи хлорной извести в ряд сельских областей.
Кипячение питьевой воды в варочной печи для того, чтобы сделать воду пригодной для питья, является обычной практикой в некоторых развивающихся странах, например в Китае. Этот древний способ эффективен для удаления болезнетворных микроорганизмов, зарождающихся в воде. Однако при вырубке лесов больших областей сбор древесины для использования в качестве топлива затруднен и безопасную для питья воду стало труднее получать таким способом. Кроме того, имеется серьезная опасность для здоровья, связанная с вдыханием дыма от биомассы, сжигаемой в традиционных варочных печах.
В качестве ближайшего аналога изобретения можно выбрать патент США 5503800, выданный Фри. В этом патенте описано устройство для дезинфекции питательной воды с помощью ультрафиолетового излучения, содержащее систему подачи питательной воды, камеру для биологической очистки, имеющую угловые стенки, и лампу ультрафиолетового излучения. Внутри камеры имеются специальные приспособления, турбулизирующие поток облучаемой воды. Данная конструкция устройства не всегда является оптимальной и достаточно дешевой для целей массовой очистки воды.
Вместе с тем, появление устройств для дезинфекции воды с помощью ультрафиолетового излучения, которые могли бы обеспечить преимущества получения больших количеств дешевой безопасной питьевой воды в развивающихся странах, было бы очень важным событием. Такое устройство улучшило бы и потенциально спасло бы жизни миллионов людей.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения, в котором лампа ультрафиолетового излучения очень малой мощности была бы основным элементом, способным обеспечить биологическую очистку больших количеств воды с помощью усовершенствованной оптимизированной конструкции.
Другой целью изобретения является создание устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения и получения дешевой питьевой воды, не требующего сложного технического обслуживания
Еще одной целью устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения является обеспечение дезинфекции жидкостей, предназначенных для применения в медицине, фармакологии, для приготовления пищи, для биологической очистки сточных вод, в рыбоводстве, для поддонов охлаждающих змеевиков и в колониях для исследования животных.
Следующей целью изобретения является обеспечение применения устройства во множестве других областей, например в рыбоводстве, портативных санитарных модулях, животноводстве, дезинфекции сыворотки перед употреблением, при поддержании чистоты воды в системах для кондиционирования воздуха и так далее, в соответствии с предлагаемым изобретением.
Изобретение обеспечивает также возможность простоты транспортировки устройства даже в отдаленные районы. Например, устройство может перевозиться на животном или на телеге, запряженной животным, или даже может быть перенесено в рюкзаке пользователем. Оно также позволяет использовать один модуль для множества источников воды и простое перемещение к разным сезонным источникам воды.
Эти и другие цели достигаются предложенным изобретением за счет того, что в устройстве для дезинфекции питательной воды с помощью ультрафиолетового излучения, содержащем систему подачи питательной воды, камеру для биологической очистки, имеющую угловые стенки, и лампу ультрафиолетового излучения, указанная система подачи обеспечивает подачу воды самотеком, при этом устройство содержит также впускную распределительную трубу, существенно вертикальную ламинаризирующую перфорированную направляющую перегородку, расположенную ниже по технологической цепочке от системы подачи питательной воды, выпускную сливную перегородку на конце камеры для биологической очистки, причем камера для биологической очистки расположена под лампой ультрафиолетового излучения ниже по технологической цепочке от ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки, а лампа ультрафиолетового излучения является подвешенной в воздухе и незащищенной.
Кроме того, в предпочтительных модификациях указанная впускная распределительная труба дополнительно содержит множество отверстий.
Причем указанная впускная распределительная труба имеет диаметр, приблизительно равный 3 см, при расходе впускаемой воды, составляющем приблизительно 60 л/мин.
Перфорации в ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородке занимают приблизительно 10-30% общей площади ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки, в частности 10-20% общей площади или приблизительно 15% общей площади перегородки.
Перфорации имеют диаметр, составляющий приблизительно 0,4-2,0 см, в частности 0,9-4,2 см или приблизительно 1,1-2,2 см, или 0,6 см.
Расстояния между центрами перфораций составляют приблизительно 1,4 см.
Лампа ультрафиолетового излучения выбрана из группы, состоящей из ртутной лампы низкого давления, ртутной лампы среднего давления, ртутной лампы высокого давления и ксеноновой дуговой лампы.
Возможна конструкция, где имеется сдвоенная или счетверенная лампа.
Могут быть предусмотрены две лампы ультрафиолетового излучения, при этом расход регулируется до 30,32 дм3 питательной воды в минуту.
Устройство может быть выполнено с возможностью наблюдения (например, через смотровое окно) непосредственно в процессе обработки состояния включения/выключения лампы ультрафиолетового излучения.
Камера для биологической очистки может иметь угловые стенки, расположенные под таким углом, чтобы обеспечивать узкий диапазон времени обработки и узкий диапазон экспонирования питательной воды в ультрафиолетовом излучении.
Камера для биологической очистки может быть предусмотрена с прямоугольными или полукруглыми угловыми стенками.
Угловые стенки могут иметь форму перевернутой кривой Гаусса.
Предпочтительно предусмотрены параллельные каналы с угловыми стенками, причем каждый канал имеет свою собственную лампу ультрафиолетового излучения.
Угловые стенки камеры для биологической очистки ограничены по высоте так, чтобы при чрезмерном уровне питательной воды она свободно переливалась из устройства.
При этом высота выпускной сливной перегородки составляет приблизительно половину высоты ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки.
Устройство имеет размеры, составляющие приблизительно 5•2•2 м, или, в частности, 1,20•0,25•0,25 м, либо 0,30•0,15•0,15 м.
Обработке питательной воды при расходе приблизительно 15,16 дм3 в минуту соответствует ширина распределения времени обработки.
Устройство может применяться для дезинфекции сыворотки, когда в нем лампа ультрафиолетового излучения (или несколько) настроена на дозу энергии облучения, составляющую приблизительно 110-150 мВт•сек/см2.
Предусмотрено также использование устройства для получения питьевой воды, при котором указанная лампа обеспечивает дозу энергии ультрафиолетового излучения, составляющую по меньшей мере 40 мВт•сек/см2.
Наконец, устройство может применяться для очистки сточных вод или для целей рыбоводства, когда указанная выше доза энергии ультрафиолетового излучения составляет по меньшей мере около 20 мВт•сек/см2.
Особенности изобретения будут более ясны в совокупности с прилагаемыми иллюстрирующими его графическими материалами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - продольный разрез устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 2 - изометрическое изображение наружного кожуха и модуля главного желоба в демонтированном состоянии.
Фиг. 3 - поперечное сечение устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения, выполненное на уровне ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки.
Фиг.4 - поперечное сечение устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения, выполненное на уровне выпускной сливной перегородки.
Фиг.5 - детальное изображение впускного коллектора.
Фиг. 6 - принципиальная электрическая схема устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения.
Фиг.7 - схема приблизительного контроля мутности питательной воды.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Интегральная система для дезинфекции воды с помощью ультрафиолетового излучения, соответствующая настоящему изобретению, имеет много элементов новизны, которые взаимодействуют для упрощения и удешевления получения безопасной питьевой воды. Имеется множество простых, надежных элементов безопасности, встроенных в систему, которые гарантируют адекватное получение безопасной питьевой воды даже в неблагоприятных условиях и при использовании неквалифицированными пользователями.
Основные конструкции устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения в соответствии с настоящим изобретением работают вместе для обеспечения пользователю получения непрерывного потока безопасной для питья воды. Впускной питательный желоб направляет питательную воду во впускное отверстие устройства. Затем питательная вода по распределительной трубе поступает во впускной коллектор. Конструкция этих элементов, соответствующих настоящему изобретению, обеспечивает по существу одинаковое давление воды во впускной камере. После этого питательная вода поступает в камеру для биологической очистки через ламинаризирующую перфорированную направляющую перегородку, которая ламинаризирует течение воды. Угловые стенки гарантируют равномерное экспонирование в ультрафиолетовом излучении. Лампы ультрафиолетового излучения, подвешенные над потоком, обеспечивают биологическую очистку питательной воды, и чистая вода переливается через выпускную сливную перегородку в выпускной коллектор и непосредственно в улавливающий контейнер или в сборный бак, откуда вода распределяется потребителям.
Конструкция впускного питательного желоба обеспечивает подачу воды в устройство для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения при постоянном расходе, который никогда не превышает расход при допустимой производительности дезинфекции, осуществляемой устройством. Впускное отверстие калибровано так, чтобы избыточная сила питательной воды создавала бы противодавление, приводящее к уменьшению перерыва в подаче. При возникновении перерыва в подаче электроэнергии, приводящего к временному прекращению функционирования лампы ультрафиолетового излучения, электромагнитный предохранительный клапан блокирует подачу питательной воды. Другие предохранительные элементы также встроены в устройство, соответствующее настоящему изобретению.
Ламинаризирующая перфорированная направляющая перегородка и выпускная сливная перегородка соответственно в передней и задней частях камеры для биологической очистки обеспечивают постоянную, поддающуюся предсказанию обработку всех частей питательной воды. Угловые стенки желоба камеры для биологической очистки и позиционирование лампы ультрафиолетового излучения гарантируют то, что даже вода, находящаяся на наибольшем расстоянии от лампы, получает почти ту же дозу облучения ультрафиолетовым излучением, что и вода, находящаяся ближе всего от лампы.
Для обеспечения гарантии безопасности для пользователя электроэнергия, подаваемая к лампе ультрафиолетового излучения, отключается при открывании защитного кожуха, так что не может быть случайного прямого облучения пользователя ультрафиолетовым излучением. Хотя для исключения возможности воздействия электрошока предусмотрен заземляющий провод, предусмотрен также выключатель цепи короткого замыкания на землю, который отключит электроэнергию при возникновении короткого замыкания.
Впускной питательный желоб. Устройство для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения в соответствии с настоящим изобретением предусмотрено с впускным питательным желобом, плотно прилегающим к впускному отверстию в верхней части устройства. В соответствии с настоящим изобретением впускной питательный желоб имеет несколько функций. Среди других функций впускной питательный желоб обеспечивает емкость для питательной воды, служит в качестве отстойника и обеспечивает адекватное давление для подачи воды в устройство для дезинфекции.
Впускной питательный желоб, как правило, будет монтироваться пользователями на рабочем участке очистки. Он может быть изготовлен из многих стандартных материалов, например из пластмассовой бочки для воды или большой бочки для нефтепродуктов. Такой сосуд будет разрезан для получения стенки, которая не будет проходить более десяти сантиметров выше горловины впускного отверстия устройства. При использовании бочек бочка может быть разрезана вдоль диаметральной плоскости, обеспечивая получение двух впускных питательных желобов, которые могут быть соединены вместе для получения большого длинного бака.
Применение в качестве впускных желобов разрезанных в продольном направлении цилиндров имеет ряд преимуществ. Они особенно пригодны в качестве емкостей для отстойников вследствие наклонного дна, которое обеспечивает возможность концентрации илистых отложений и другого мусора при минимизации стоячей воды, которая не циркулирует через устройство для дезинфекции. В качестве отстоя твердых материалов илистые отложения на дне желоба могут просто удаляться для минимизации проблем, связанных с мутностью воды и для обеспечения более высокого качества питьевой воды в общем.
При применении двух половин цилиндров в виде батареи с соединительной частью, имеющей разделительную стенку адекватной высоты, первый бак обеспечивает начальное отстаивание с более чистой частью воды, переливающейся через разделительную перегородку во второй бак. Второй бак, принимающий предварительно отстоенную воду, обеспечит получение питательной воды по существу с невысокой мутностью. Такой способ будет особенно важен, когда необходимо обрабатывать воду с высоким уровнем илистых отложений или пыли.
При применении впускных питательных желобов, полученных из разрезанных в продольном направлении цилиндров, минимизируются проблемы, связанные с подъемом для очистки.
Будучи отсоединенными от устройства, разрезанные в продольном направлении цилиндрические впускные питательные желоба можно просто откатить для очистки и опорожнения. Обеспечение съемных стоек, например каменных или деревянных клиньев, для поддержания желобов в вертикальном положении в процессе эксплуатации может оказаться предпочтительным для получения постоянного основания, предусматривающего простую очистку. В альтернативном варианте могут быть предусмотрены полубарабаны с полукруглым качающимся основанием, на котором они могут быть шарнирно закреплены с возможностью поворота.
Полубарабанные впускные питательные желоба могут также быть просто перевернуты для полной очистки для предотвращения захвата мусора, не будучи в эксплуатации, и для дезинфекции или для сушки краски. Может оказаться полезным периодически откатывать такие желоба для обеспечения полной циркуляции воздуха на внутренних поверхностях барабанов.
В качестве впускного питательного желоба можно также использовать желоб для кормления животных или другие плоские устройства для водопоя животных. Вследствие большой открытой площади поверхности воды, желоб, как правило, будет размещен в защищенной области или большая часть его будет закрыта, например, рифленым металлическим листом. Это минимизирует попадание в питательную воду загрязнений, находящихся в воздухе. Может быть также использован желоб, изготовленный из соответственно очищенного от остаточных химических веществ цемента. Такие желоба могут быть для очистки подняты на одном конце и промываться или ополаскиваться к нижнему концу. Если он получается тяжелым, то для осуществления подъема без чрезмерных усилий, прикладываемых пользователем, может быть использован рычаг и опора.
Питательный желоб на нижней части может быть снабжен дренажным отверстием, хотя этот элемент может привести к проблемам, связанным с утечками. Конструкция обеспечит наличие некоторого уровня остаточной воды на дне желоба, предназначенной для обеспечения отстаивания, так что подъем желоба без полного дренажа не является тривиальной задачей. Дренажное отверстие оказывается также полезным, если для питательного желоба требуется постоянно смонтированное основание. Если дренажное отверстие имеет отверстие достаточного диаметра, то вода и илистые отложения могут дренироваться одновременно, возможно при перемешивании щеткой или с помощью другого средства для того, чтобы илистые отложения оставались во взвешенном состоянии в процессе дренажа.
Когда рабочее пространство ограничено, желоб может определять длину устройства, составляющую, как правило, один метр. Однако имеются преимущества монтажа желоба перпендикулярно или под другим углом к длине устройства. Например, если устройство заключено в наклонный или иной защитный кожух, то может оказаться полезным разместить область наполнения желоба водой открытой, выше или сделать более закрытой. Это даст возможность пользователю не наклоняться или испытывать другие неудобства для заполнения устройства питательной водой.
Питательный желоб служит в качестве бака для питательной воды. Он особенно полезен, если вода подается не непрерывно, например, когда его наполняют водой, переносимой ведрами из водоема со стоячей водой или из источника, когда нельзя подавать воду равномерно, например, с помощью насоса, приводимого в действие вручную или животным. Таким образом, пользователь может загрузить относительно большое количество воды для биологической очистки и вернуться позднее, чтобы забрать обработанную воду. Впускной питательный желоб исключает также необходимость постоянной подачи воды. Например, вода может быть залита ведрами, а не подаваться медленно. Это может значительно уменьшить напряжение для спины пользователя.
Впускной питательный желоб способствует как ограничению мутности питательной воды, так и обеспечению приблизительного контроля степени мутности (смотри ниже). Коэффициент пропускания ультрафиолетового излучения впускаемой воды определяет то, как хорошо ультрафиолетовое излучение проникает и дезинфицирует столб питательной воды. Коэффициент пропускания уменьшается с увеличением мутности или содержания растворенных солей. Таким образом, впускной питательный желоб обеспечивает превосходную возможность ограничивать вредные влияния мутности на общее качество дезинфекции, обеспечиваемой устройством, соответствующим настоящему изобретению в очень изменчивых условиях эксплуатации.
Коэффициент пропускания ультрафиолетового излучения питательной водой качественно оценивается как коэффициент поглощения. Чем больше значение коэффициента поглощения, тем быстрее поглощается ультрафиолетовое излучение при прохождении его через питательную воду. Питательная вода, имеющая высокий коэффициент поглощения, будет до некоторой степени защищать микроорганизмы, находящиеся дальше всего от источника ультрафиолетового излучения, потенциально ухудшая дезактивацию болезнетворных микроорганизмов.
Коэффициент поглощения ультрафиолетового излучения дистиллированной водой составляет 0,007 см-1. В устройстве, соответствующем настоящему изобретению, предполагается, что впускаемая вода может иметь коэффициент поглощения 0,3 см-1, что соответствует среднему значению коэффициента поглощения воды из установки для очистки сточных вод в США. В лабораторных экспериментах было обнаружено, что устройство, соответствующее настоящему изобретению, может дезинфицировать воду с мутностью, получаемой путем введения каолинитовой глины, величиной до 20 единиц нефелометрической мутности. Поскольку устройство, соответствующее настоящему изобретению, может обеспечивать получение безопасной для питья воды при относительно высокой мутности, для каждодневного применения все, что необходимо, это приблизительный контроль мутности питательной воды. В идеальном случае первоначальное определение мутности питательной воды будет осуществляться при монтаже устройства. После этого оно будет осуществляться на периодической основе с помощью нефелометра для определения предельно допустимой мутности и при техническом обслуживании лампы ультрафиолетового излучения.
Впускной питательный желоб обеспечивает возможность каждодневного приблизительного контроля мутности питательной воды. Может быть предусмотрена визуальная конфигурация, например квадрат с черными и белыми полосами, на конце желоба ниже отметки уровня воды. В этом случае наблюдатель смотрит на дальнем краю желоба на линии, определяя различимы ли они. Если они не различимы, то питательной воде необходимо отстояться до тех пор, пока полосы на станут различимыми прежде, чем продолжить обработку воды. Регулярные отрицательные результаты приблизительного контроля должны уведомить пользователя в необходимости установки двухкамерного впускного питательного желоба для обеспечения возможности регулярного отстоя.
В качестве альтернативного контроля мутности ниже отметки уровня воды может быть под углом 45 градусов установлено небольшое зеркало, расположенное на конце впускного питательного конца желоба, на котором находится наблюдатель. Наблюдатель будет видеть визуальную конфигурацию, отражающуюся в зеркале, видимую, таким образом, через слой воды, соответствующий длине желоба, рассматривая полосы. Такой способ будет гарантировать то, что достаточно воды захвачено по линии визирования для определения эффекта мутности. Для получения достаточных данных для обеспечения достоверного контроля желоб должен иметь длину по меньшей мере один метр.
Впускной узел. Впускной узел, соответствующий настоящему изобретению, имеет впускное отверстие и впускной коллектор, который расположен во впускной камере. Этот трубчатый узел, как правило, представляет собой свинченный вместе трубопровод, выполненный из поливинилхлорида, позволяющий простую разборку для периодической очистки и для устранения засоров.
Питательная вода подается во впускную камеру из впускного отверстия через впускной коллектор. Впускной коллектор, как правило, имеет форму перевернутой буквы Т и отверстия на нижнем краю, обеспечивающие равномерное распределение давления жидкости во впускной камере.
Впускное отверстие устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения в соответствии с настоящим изобретением предусмотрено на конце устройства, который противоположен выпускному отверстию и проходит вверх от него. Выпускное отверстие, как правило, расположено в верхней части устройства. Выпускное отверстие подает питательную воду во впускную камеру через впускной коллектор перед входом воды в камеру для биологической очистки. Питательная вода проходит через отверстие пассивно под действием силы тяжести, которая определяет скорость потока во впускной камере и давление воды в этой части устройства.
Для поддержания качества дезинфекции важно, чтобы питательная вода, входящая во впускное отверстие, по возможности не содержала инертных материалов. Если палки, камешки, листья и аналогичные предметы входят во впускное отверстие, то они потенциально будут уменьшать эффективность процесса дезинфекции. Для ограничения таких возможностей впускное отверстие, как правило, снабжено боксом простого сетчатого фильтра. Сетка позволяет предотвратить прохождение плавающих предметов в отверстие, например веточек и листьев. Она также препятствует попаданию в отверстие мелких живых существ, например насекомых и мелких грызунов. Если оно засоряется, то бокс сетчатого фильтра может быть просто промыт или снят и очищен.
Там, где используется впускной желоб, на конце желоба расположено впускное отверстие, которое может быть снабжено простой крышкой, например прикрепленным куском дерева или металла. Это непосредственно предохранит впускное отверстие от прямого попадания неживых объектов, например камешков и палочек. Такая крышка будет также служить для предотвращения нежелательной принудительной подачи воды при неадекватном расходе путем прямого нагнетания воды в отверстие или несанкционированного присоединения нагнетательного насоса к верхнему входу.
В частности, при применении коробчатого сетчатого фильтра или концевой крышки желоба важно, чтобы на впускном отверстии был предусмотрен небольшой выступ. Этот выступ может иметь небольшую высоту, например 3 см. Особенно в случае применения впускного желоба с плоским дном выступ предотвращает смывание осажденных илистых отложений на дне желоба непосредственно во впускное отверстие. Он также предотвращает проблемы завихрения и образования потоков, которые могут возникать при образовании брызг. Поскольку илистые отложения образуются на дне желоба, питательная вода имеет меньше мутности, и минимизируются проблемы, связанные с забиванием отверстий ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки и образованием осадков на внутренних частях устройства для дезинфекции.
Диаметр впускного отверстия определяется, принимая во внимание то, что максимальная высота водяного столба (приблизительно 10 см выше верхней горизонтальной поверхности крышки) во впускном желобе или другом входе обеспечивает получение расхода 15 литров в минуту во впускном отверстии. Может быть обеспечено другое (например, меньшее) значение диаметра впускного отверстия, которое позволит соответственно другая (например, большая) высота стенок впускного желоба. Эти значения должны быть рассчитаны так, чтобы получить необходимый расход, полезный в случае применения настоящего изобретения. Параметры, которые обеспечили бы такие альтернативные конструкции, очевидны обычным специалистам в этой области техники, знакомым с расчетами падения давления в процессе течения потоков жидкости через трубы и отверстия.
Поскольку давление воды необходимо для обеспечения правильной обработки питательной воды в камере для биологической очистки, представляет важность величина уровня воды выше впускного отверстия. Поскольку питательная вода движется исключительно самотеком, расход воды будет зависеть от этой высоты и соответствующего давления воды. Обеспечение впускного питательного желоба, емкость которого не может достигать более чем десяти сантиметров выше впускного отверстия (или других высот, как описано выше), позволяет получить естественное средство ограничения давления воды, которое имеется во впускной камере, проходящей от впускного отверстия.
Благодаря обеспечению питательного желоба с соответствующей высотой стенки, если пользователь заливает воду слишком быстро в питательный желоб, то вода будет просто переливаться через стенки питательного желоба. Это помогает гарантировать правильные уровни давления во впускном коллекторе. Обеспечение впускного питательного желоба может также ограничить склонность нетерпеливого пользователя попытаться принудительно подать воду при неправильном расходе, тогда как желоб обеспечивает емкость, которая позволяет делать что-нибудь еще во время обработки воды.
Сообщества, имеющие водопровод с небезопасной для питья водой, могут питать желоб водой через простой поплавковый клапан для того, чтобы гарантировать непрерывную подачу дезинфицированной воды в другой (сборный) бак, из которого вода может распределяться между членами сообщества.
Применение питательного желоба, прикрепленного к впускному отверстию, может также помочь предотвратить избежать неправильного давления в устройстве. Во многих сообществах, в которых устройство используется непрерывно, питательная вода может быть налита непосредственным пользователем в питательный желоб для возможного применения, но аналогичное количество воды немедленно удаляется из общественного бака биологически очищенной воды. Таким образом, обеспечение целесообразного размера бака для биологически очищенной воды может предотвратить соблазн пользователя создать неадекватный расход питательной воды в устройстве путем обеспечения "мгновенной" обработки.
В некоторых случаях применения устройства для дезинфекции, соответствующего настоящему изобретению, питательная вода может вводиться во впускную камеру снизу с помощью ручного насоса. Устройство может непосредственно образовывать секцию центрирующего выступа насоса. В этом случае вода входит в устройство снизу, и ее расход будет определяться конструкцией ручного насоса и прикладываемым усилием нагнетания. В этом варианте осуществления настоящего изобретения впускной коллектор может быть намного больше без какого-либо вредного влияния на эксплуатационные характеристики устройства. Однако он не может быть намного меньше верхнего входа, поскольку меньший впускной коллектор будет создавать большее противодавление, которое должно быть преодолено прежде, чем поток сможет продолжать течение.
Ниже впускного отверстия во впускном коллекторе может быть предусмотрено средство безопасности, которое останавливает течение питательной воды в устройстве для дезинфекции, соответствующем настоящему изобретению, при прерывании подачи электропитания к лампе ультрафиолетового излучения. Такие перерывы в подаче электропитания могут иметь место при возникновении короткого замыкания или подсаживании аккумуляторной батареи. Это также может иметь место в том случае, если выбран источник питания такого типа, который неравномерно генерирует электроэнергию, например, солнечная батарея, небольшой гидрогенератор или обычная электрическая сеть в развивающейся стране. В одном варианте осуществления настоящего изобретения на впускной трубе предусмотрен соленоид, который при прерывании подачи электропитания перекрывает трубу или закрывает дроссельный клапан.
Впускная камера. Питательная вода входит во впускную камеру из впускного отверстия присоединенного желоба, причем впускной коллектор, имеющий форму перевернутой буквы Т, занимает часть впускной камеры. Постоянное давление жидкости во впускной камере поддерживается в процессе обработки питательной воды посредством высоты водяного столба и позиционирования отверстий в распределительной трубе. Эти факторы контролируют усилие и поток воды, входящий в камеру для биологической очистки. Такое постоянное давление необходимо для того, чтобы ламинаризирующая перфорированная направляющая перегородка, описываемая ниже, могла эффективно ламинаризировать поток питательной воды через камеру для биологической очистки.
Вода входит во впускную камеру через часть распределительной трубы впускного коллектора на его дальнем конце, которая проходит параллельно ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородке. Распределительная труба питается от вертикальной части впускной трубы впускного коллектора и проходит от этой трубы в горизонтальном направлении в каждую сторону конфигурации в виде перевернутой буквы Т. Распределительная труба погружена, как правило, вблизи дна впускной камеры и предусмотрена с выпускными отверстиями.
Эти отверстия могут быть направлены на тыльную сторону впускной камеры или на ламинаризирующую перфорированную направляющую перегородку без вредного влияния. В одном варианте осуществления распределительная труба присоединена к ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородке. Хотя в такой конфигурации имеет место частичное затенение ламинаризации, питательная вода еще эффективно обрабатывается, и образование вихревых потоков и переменного давления в выпускной камере минимально.
При создании широкого устройства для дезинфекции, например, когда требуется большая емкость, отверстия в распределительной трубе, которые расположены дальше от вертикальной впускной трубы и приближены к боковым стенкам впускной камеры, предусмотрены с радиусом, имеющим более высокое значение. Такая конфигурация обеспечивает адекватное давление во впускной камере от стенки до стенки и гарантирует правильную ламинаризацию потока питательной воды через камеру для биологической очистки. Характерные размеры этих отверстий для обеспечения одинакового давления на требуемом уровне во впускной камере могут быть определены для любой конкретной конфигурации обычным специалистом в этой области техники с помощью стандартных таблиц гидравлических потоков и давлений.
Ламинаризирующая перфорированная направляющая перегородка. Данная перегородка разделяет впускную камеру и камеру для биологической очистки. Элементы, соответствующие настоящему изобретению, во взаимодействии с выпускной ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородкой, описываемой ниже, обеспечивают уникальную гидродинамически оптимизированную систему для подачи питательной воды, подлежащей обработке ультрафиолетовым излучением. Она также служит в качестве дополнительного отражателя, предназначенного для повторного направления ультрафиолетового излучения на питательную воду, обеспечивающего для питательной воды более высокую дозу облучения.
Ламинаризирующая перфорированная направляющая перегородка, соответствующая настоящему изобретению, предусмотрена с вырезами, которые ламинаризируют поток воды из впускной камеры в камеру для биологической очистки и ограничивают поток воды для поддержания оптимального уровня воды в камере для биологической очистки. Эти функции ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки обеспечивают оптимальный расход и уровень биологической очистки.
В технологии, соответствующей предшествующему уровню техники, применение ламинаризирующих перфорированных направляющих перегородок часто вводит проблемы надежности, поскольку ламинаризирующие перфорированные направляющие перегородки дают в процессе биологической очистки эффект затенения ультрафиолетового излучения. Это явление оставляет некоторые части питательной воды недостаточно обработанными и позволяет сомневаться в получаемом качестве воды. Эта конструктивная проблема в настоящем изобретении исключена путем расположения ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки вне камеры для биологической очистки так, чтобы проблемы затенения были полностью исключены.
Вследствие адекватно ламинаризированного потока воды, формируемого посредством ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки, образование вихревых потоков или других несовершенств потока питательной воды ограничено или исключено вообще. Эта функция отражателей важна для обеспечения дешевой обработки, резко минимизирующей требуемую мощность генерируемого ультрафиолетового излучения для получения безопасной для питья воды. С другой стороны, в технологии, соответствующей предшествующему уровню техники, множество отражателей в камере для биологической очистки создает вихревые потоки, вызывающие нежелательно широкое распределение дозы ультрафиолетового излучения, передаваемой обрабатываемой воде.
Расстояние между отверстиями в ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородке и их диаметр определяют повторную ламинаризацию потока из впускного отверстия и направление в главный желоб для биологической очистки. Если общая площадь отверстий изменяется значительно, то это повлияет на конфигурацию потока, необходимую для адекватной биологической очистки питательной воды. Соотношение поверхности отверстий к сплошной поверхности ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки может изменяться в диапазоне от 10% до 30%. Более предпочтительным диапазоном является диапазон 12-20%. Самое предпочтительное процентное соотношение составляет 15%.
При разработке адекватной конфигурации ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки рассматривались также и другие факторы. Если в ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородке предусмотрено небольшое число относительно больших отверстий, то существует опасность того, что поток, выходящий из впускной камеры, будет иметь слишком большую турбулентную энергию, чтобы обеспечивать адекватное ламинарное течение. И наоборот, если в ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородке предусмотрено очень большое число слишком маленьких отверстий, то существует опасность того, что они могут засоряться мелким мусором, который может попадать во впускное отверстие. Такие заторы будут ухудшать ламинарное течение и ухудшать эффективность биологической очистки воды. При разработке различных вариантов осуществления настоящего изобретения обычный специалист в этой области техники сможет сбалансировать влияние этих факторов.
Отражательная стенка предусмотрена ниже по технологической цепочке от ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки. Отражательная стенка проходит от верхней части камеры для биологической очистки и опускается ниже верхней части ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки и представляет собой, как правило, плоский лист, упирающийся непосредственно в конец изогнутого верхнего отражателя. Эта отражательная стенка предназначена для предотвращения поверхностных нарушений потока питательной воды в камере для биологической очистки, а также снимает плавающий мусор, который может попасть во впускную камеру.
Камера для биологической очистки. Камера для биологической очистки обеспечивает отрегулированный поток питательной воды ниже обрабатывающей лампы ультрафиолетового излучения для получения биологически очищенной воды. Камера имеет несколько элементов, гарантирующих достижение критического потока воды. Ламинаризирующая перфорированная направляющая перегородка помимо поддержания постоянного давления воды во впускной камере обеспечивает адекватный ламинарный поток питательной воды в камеру и в камере для биологической очистки. Отражательная стенка предотвращает поверхностные нарушения и возникновение вихревых потоков. Угловые стенки камеры для биологической очистки физически позиционируют воду так, чтобы она получала узко распределенную дозу ультрафиолетового излучения.
Лампа ультрафиолетового излучения, которая смонтирована над потоком питательной воды на точно определенной высоте от основания камеры для биологической очистки, определяет биологическую очистку воды. Конструкция, соответствующая настоящему изобретению, не имеет проблем конструкций предшествующего уровня техники, связанных с применением защитного кварцевого кожуха, характеризующегося осаждением минеральных и других материалов, препятствующих пропусканию ультрафиолетового излучения. Лампа предусмотрена с изогнутым отражателем, который служит потолком камеры для биологической очистки. Это позволяет перехватывать ультрафиолетовое излучение, направленное на потолок, обращенный к поверхности лампы, и перенаправлять его на поток питательной воды. Предпочтительно, чтобы это вторичное ультрафиолетовое излучение было в общем направлено к потоку питательной воды, проходящему ближе всего к стенкам камеры. Такая конфигурация, соответствующая настоящему изобретению, обеспечивает дополнительное экспонирование части потока, получающего в ином случае меньшую дозу излучения, чем области, расположенные ближе к центру.
Ламинаризирующая перфорированная направляющая перегородка во взаимодействии с впускным коллектором обеспечивает ввод питательной воды в камеру для биологической очистки в виде параллельного линейного ламинарного потока, находящегося при постоянном уровне и давлении. Хотя замедление или прекращение течения из любого одного из отверстий изменит динамику потока до некоторой степени, система может допускать некоторый процент компромиссного течения без влияния на качество воды вследствие эффектов переориентации смежных ламинарных струй потока. Качество дезинфекции будет гарантировать периодическое техническое обслуживание и очистка устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения в соответствии с настоящим изобретением. Использование и качество питательной воды будут определять промежутки между проведением регламентных работ по техническому обслуживанию. В необычных случаях, когда биологические загрязнения особенно велики, пользователь может сделать проверку между техническими обслуживаниями. Простую проверку для визуального определения засора перфораций, как правило, делают с помощью аликвотного пищевого красителя, как это описано в разделе "смотровое окно". Увеличение скорости потока путем увеличения высоты стенки устройства для дезинфекции выше уровня адекватной обработки может обеспечить устранение засоров.
Угловые стенки в камере для биологической очистки предназначены для общей фокусировки и направления ламинарного потока. Кроме того, путем эффективного позиционирования всей воды на специальном расстоянии от лампы гарантируется предсказуемая биологическая очистка всей воды посредством определенной дозы ультрафиолетового излучения, исключающая недостаточную биологическую очистку частей питательной воды, которая может иметь место вследствие уменьшения уровня ультрафиолетового излучения в результате геометрических факторов и коэффициента поглощения питательной воды. Этот специфический элемент, соответствующий настоящему изобретению, позволяет для биологической очистки больших объемов питательной воды применять лампы ультрафиолетового излучения низкого давления.
Наклоны угловых стенок, соответствующих настоящему изобретению, вычисляли для того, чтобы позиционировть воду всегда при определенном минимальном расстоянии от лампы ультрафиолетового излучения. Угловые стенки были выполнены в форме перевернутой кривой Гаусса.
Такая радиометрически оптимизированная конструкция определяет также, что углы стенок скоординированы с панелями отражателя лампы для оптимизации каждой части экспонирования питательной воды в ультрафиолетовом излучении. Конструкция, получаемая с помощью настоящего изобретения, фактически обеспечивает экспонирование воды у самых дальних стенок камеры для биологической очистки, близко расположенных от лампы ультрафиолетового излучения. Эти элементы, соответствующие настоящему изобретению, являются основными для получения дешевой эффективной системы для дезинфекции.
Время обработки воды, а также глубина воды являются точно регулируемыми параметрами в камере для биологической очистки для обеспечения максимального почти равномерного экспонирования питательной воды при минимальных расходах. Глубина воды самая большая вблизи лампы и постепенно уменьшается до меньшей величины при большем удалении от лампы. Это гарантирует очень точное и эффективное распределение экспонирования ультрафиолетового излучения по объему воды, поскольку поглощение ультрафиолетового излучения значительно меньше в мелкой воде.
Кроме того, поток воды, прилегающий к стенкам устройства и вблизи его основания, будет иметь меньшую скорость из-за трения. Это явление обеспечивает более длительное время обработки в камере для биологической очистки для тех частей питательной воды, которые больше удалены и больше экранированы другой водой от лампы ультрафиолетового излучения. В этом случае конструкция, соответствующая настоящему изобретению, выравнивает различие в экспонировании воды в ультрафиолетовом излучении в различных участках камеры для биологической очистки для создания эффективной системы для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения.
Потенциальной проблемой, возникающей в системе для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения, является то, что питательная вода может каким-либо образом побуждаться проходить через систему со скоростью, которая больше, чем та, при которой вода может эффективно биологически очищаться. Эта проблема в устройстве, соответствующем настоящему изобретению, меньше чем в устройствах, соответствующих предшествующему уровню техники, вследствие обеспечения адекватного потока воды самотеком. Однако неправильная установка уровня, крепление насоса, обеспечивающего принудительный поток, или изменения глубины сосуда для впускного желоба могут потенциально перегрузить устройство для дезинфекции. В качестве первого средства предотвращения возникновения неправильного давления воды является контроль размера впускного отверстия с тем, чтобы поток питательной воды испытывал противодавление, если он имеет слишком большую скорость.
Обеспечивается также специальный конструктивный элемент стенок желоба впускной камеры, который предотвращает получение неадекватной высоты воды в камере для биологической очистки. Помимо предотвращения неполной обработки уровень воды в камере для биологической очистки должен контролироваться для предотвращения разрушения лампы, короткого замыкания электрических приборов, а также для обеспечения электробезопасности для пользователя. Конструкция камеры для биологической очистки имеет открытую конфигурацию и стенки определенной высоты. Предусмотрен также защитный кожух камеры, имеющий нижние прорези для обеспечения отвода воды от устройства при переливе через стенки в случае попытки принудительной подачи воды.
Один вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает производительность биологической очистки воды 15 литров в минуту. Если во впускное отверстие нагнетают больший расход, то избыточная вода переливается через стенки желоба камеры для биологической очистки или выходит через вырезы в стенках желоба. Затем этот чрезмерный расход воды направляется из устройства из нижних прорезей в устройстве. Эти прорези специально предусмотрены так, чтобы избыточная вода не заполняла внутреннее рабочее пространство устройства, не выходила необработанной из выпускного слива или вызывала короткие замыкания.
Лампа ультрафиолетового излучения и источник электропитания. Конструкция, соответствующая настоящему изобретению, позволяет применять стандартную дешевую лампу ультрафиолетового излучения. Лампа расположена на определенной высоте выше потока воды от основания желоба для биологической очистки. Позиционирование в соответствии с настоящим изобретением исключает необходимость применения дорогих кварцевого или тефлонового защитного кожуха и средств для их очистки, требуемых стандартными устройствами для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения. Определенная высота от основания желоба для биологической очистки имеет решающее значение для дозы облучения питательной воды.
Вследствие своей простоты и нескольких элементов безопасности, обладающих признаками новизны, настоящее изобретение может обеспечивать электропитание фактически от любого источника. Например, в изолированных районах, только небольшая панель фотоэлектрических элементов потребуется для обеспечения электропитания устройства, соответствующего настоящему изобретению. Небольшие гидрогенераторы или ветровые турбины-генераторы также могут вырабатывать достаточно электроэнергии для приведения в действие устройства для дезинфекции, соответствующего настоящему изобретению. Если устройство получает электропитание от нерегулярных сельских электросетей, то потребуется реле отключения для прерывания подачи воды во впускное отверстие в течение периодов времени, когда не подается электропитание. Этот элемент предохранительного запорного клапана описан выше в разделе, относящемся к впускному отверстию.
Устройство, соответствующее настоящему изобретению, может получать электропитание от автомобильного аккумулятора при его непрерывной подзарядке малым током для предотвращения каких-либо проблем надежности или неудобств для пользователя, которое может иметь место при нерегулярной подаче электропитания. Вследствие простоты и эффективности конструкции устройства, соответствующего настоящему изобретению, необходимое для него электропитание может быть подано от простого двенадцативольтного автомобильного аккумулятора. Такой источник электропитания особенно полезен в сообществах, например в деревнях, где имеются перерывы в подаче электропитания. Аккумулятор может подзаряжаться, когда доступен основной источник электропитания. Такой способ даст возможность осуществлять биологическую очистку в темное время суток, если батарея используется как аккумулятор электроэнергии от солнечной батареи или другого нерегулярного источника электропитания.
Двухпозиционный переключатель с защитой от брызг является идеей для применения в настоящем изобретении. Многие компании выпускают такие переключатели, например Mulberry. Переключатель типа 30480 Mulberry приходит с прерывателем, прокладкой и крышкой защиты от брызг.
Любое применение электричества в связи с потоками воды представляет собой потенциальную опасность для пользователя, связанную с электрошоком. Для предотвращения этой проблемы в схемотехнике устройства, соответствующего настоящему изобретению, предусмотрен выключатель цепи короткого замыкания на землю. Он предусмотрен в источнике питания устройства и особенно важен при использовании напряжения 120 В или 230 В переменного тока. При возникновении короткого замыкания в системе происходит мгновенное отключение устройства от источника питания. Между двухпозиционным переключателем и электронагрузкой предусмотрен также плавкий предохранитель.
Простой заземляющий провод предотвращает потенциальную опасность электрошока. Таким образом, любая утечка тока на корпус устройства, соответствующего настоящему изобретению, отводится на землю и не может вызвать электрошока субъекта, коснувшегося устройства. Силовой провод должен быть защищен от истирания в месте его входа в основание. Применение резиновой прокладки на входном отверстии для силового провода является одним из средств предотвращения возникновения такой проблемы. Кроме того, на силовом проводе завязывают узел, который располагается внутри входного держателя. Этот узел предотвращает механическое вытягивание провода наружу с разрушением электрического контакта.
Предупредительная этикетка на местном языке, расположенная вблизи входа силового электропровода, сообщает "ВНИМАНИЕ: высокий уровень ультрафиолетового излучения внутри модуля. ВНИМАНИЕ: не открывать модуль, не отключив его сначала от источника питания".
При любом применении ламп ультрафиолетового излучения с точки зрения безопасности необходимо принимать во внимание то, что немодифицированное ультрафиолетовое излучение потенциально опасно для пользователя, например при наблюдении незащищенными глазами и так далее. В настоящем изобретении предусмотрено, что при любом демонтаже защитного кожуха вокруг лампы или кожуха устройства происходит отключение электропитания от лампы. Система блокировки камеры для биологической очистки исключает опасность случайного облучения оператора ультрафиолетовым излучением.
В устройстве, соответствующем настоящему изобретению, лампа ультрафиолетового излучения является компонентом с самым коротким сроком службы. Стандартная лампа в одном варианте осуществления настоящего изобретения имеет 8000 часов горения. При выходе лампы из строя или при каком-либо отказе, мешающем работе лампы, пользователи могут наблюдать это состояние непосредственно через безопасное смотровое окно, описываемое ниже. В зависимости от интенсивности каждодневной эксплуатации, лампа может обычно заменяться раз в год при использовании в среднем 20 часов в сутки или раз в два года при использовании 10 часов в сутки. Необязательным элементом устройства, соответствующего настоящему изобретению, является цепь, которая включает бактерицидную лампу ультрафиолетового излучения при введении воды во впускное отверстие и отключает ее через три минуты после прекращения поступления воды во впускное отверстие (время обработки воды в устройстве составляет только приблизительно 12 секунд). Это может сэкономить электроэнергию, а также существенно продлить срок службы электроники и лампы ультрафиолетового излучения.
Лампа ультрафиолетового излучения может быть выполнена сдвоенной или счетверенной.
Регулярная очистка и визуальный контроль лампы должен осуществляться каждые шесть месяцев для того, чтобы гарантировать надежную работу устройства в течение всего года. Лампу необходимо нормально заменять в течение проведения каждой второй или каждой четвертой операции очистки и контроля. В некоторых сообществах это случится, когда рабочий технического обслуживания приедет в деревню в соответствии с графиком технического обслуживания. В то же самое время обычно будет осуществляться проверка ламинаризации с помощью аликвотного пищевого красителя и отбора пробы проверки на мутность.
Электронагрузка - другой компонент устройства, соответствующего настоящему изобретению, имеющий ограниченный срок службы. Он, как правило, соответствует 20000 часам горения. Стандартными, выпускаемыми на промышленной основе электронагрузками, пригодными для применения в устройстве, соответствующем настоящему изобретению, будет выпускаемая компанией Motorolla электронагрузка MI-RN-T12-ILL-120, предназначенная для использовании при напряжении 120 В переменного тока.
Смотровое окно. Безопасное смотровое окно обеспечивает возможность прямого наблюдения ультрафиолетового излучения для определения его состояния. Расположенное на передней панели основания, описываемого ниже, смотровое окно, выполненное из материала, который не прозрачен для ультрафиолетового излучения, обеспечивает возможность наблюдения состояния ультрафиолетового излучения незащищенным глазом без какого-либо риска для наблюдателя. В одном варианте осуществления настоящего изобретения окно сделано из поликарбоната толщиной 4 мм, отвечая критериям безопасности наблюдения ультрафиолетового излучения без вредного воздействия на наблюдателя. Оно прикреплено к внутренней поверхности кожуха четырьмя винтами. Вблизи смотрового окна должна быть этикетка следующего содержания на местном языке "ВНИМАНИЕ: установка не работает, если в смотровое окно не видно голубого свечения". Можно также предусмотреть международные символы в том случае, если некоторые пользователи могут быть неграмотными.
Смотровое окно, соответствующее настоящему изобретению, обеспечивает быстрый контроль включенного состояния источника ультрафиолетового излучения или загрязнения его поверхности. Важно контролировать излучение в то время, когда берут воду из устройства, для того, чтобы установить не разбита ли лампа. Однако нет нужды все время во время обработки наблюдать излучение даже в случае прерывающейся подачи электропитания. Применение в качестве источника электропитания автомобильного аккумулятора обеспечивает дополнительную уверенность в этом отношении, поскольку время использования устройства не обязательно должно быть скоррелировано каким-либо образом со временем доступности электросети для зарядки аккумулятора.
Смотровое окно обеспечивает также возможность периодического контроля ламинарного течения питательной воды из впускной камеры в камеру для биологической очистки. Во впускное отверстие вводят небольшое количество пищевого красителя в качестве поддающегося наблюдению маркера. После этого наблюдатель видит, поддерживается ли ламинарное течение в камере для биологической очистки, наблюдая новые окрашенные ламинарные потоки. В этом случае могут непосредственно наблюдаться небольшие засоры в ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородке и приняты меры для восстановления нормального течения, если имеют место какие-либо нарушения.
Выпускные сливные перегородка и отверстие. Выпускная сливная перегородка имеет небольшую высоту и расположена на нижнем конце камеры для биологической обработки по технологической цепочке. Биологически очищенная вода поднимается до необходимого уровня и затем переливается через сливную перегородку в выпускной желоб. В варианте осуществления настоящего изобретения, иллюстрируемом на фиг.1, сливная перегородка имеет высоту 5 см по сравнению с общей высотой главного желоба, составляющей 10 см. Затем биологически очищенная вода выходит из выпускного желоба через трубу к выходному отверстию, где она может стать доступной для пользователя или направлена в сборный бак безопасной для питья воды. Выпускное отверстие предусмотрено на 2,5 см выше основания желоба для обеспечения конструктивной устойчивости и для обеспечения последней зоны отстоя перед распределением биологически очищенной воды потребителям. Сливная пробка может быть предусмотрена для очистки этой зоны, не обращаясь к разборке устройства.
Биологически очищенная вода подается пользователю через кран или может быть отведена в бак-хранилище. Поскольку система дезинфицирует приблизительно 30 литров воды в минуту, этим устройством предусмотрен целесообразный расход воды. Для сравнения, этот расход в США превышает расход из типового водопроводного крана в ванной или обычного садового шланга.
Сборный бак для безопасной для питья воды. Как описано выше, имея сборный бак достаточного объема и большой питательный желоб, можно обеспечить пользователя "мгновенной" биологической очисткой воды. При наличии общего сборного бака после первоначального введения питательной воды каждый новый пользователь берет из сборного бака питательной воды столько, сколько он вводит. Такой сборный бак было бы необходимо предохранить от попадания загрязнений. В идеальном случае сборный бак для безопасной для питья воды должен быть герметичным и иметь кран.
Как правило, для транспортировки безопасной для питья воды в дома пользователей находят применения контейнеры с узким горлом. Контейнеры с узким горлом (в идеальном случае с пробками) помогут гарантировать то, что в безопасную для питья воду не попадет грязь с грязных рук или погружаемых в них черпаков. Контейнеры с узким горлом предотвращают также потери воды от расплескивания в процессе транспортировки. Полиэтиленовые канистры такого типа дешевы, имеют жесткость и имеют небольшой вес. В идеальном случае для минимизации сил, необходимых для транспортировки воды домой, особенно нездоровыми или престарелыми пользователями, могут быть использованы тележки.
Кожух. Кожух устройства, соответствующего настоящему изобретению, должен иметь небольшую массу для обеспечения мобильности устройства, а также жесткость для обеспечения требуемой его долговечности. Для обеспечения повышенной конструктивной устойчивости и сопротивления коррозии он должен быть изготовлен из нержавеющей стали. В противоположность этому части устройства, которые не находятся в контактном взаимодействии с водой и которые обращены вовнутрь в камере для биологической очистки, предпочтительно изготавливать из полированного алюминия, поскольку отражательная способность алюминия увеличивает экспозицию воды в ультрафиолетовом излучении.
Благодаря применению в устройстве в основном фальцованного металла минимизируется число сварных соединений, обеспечивая ограничение проблем, связанных с утечками. Если соединения имеют контактное взаимодействие с потоком воды, то их, как правило, герметизируют силикон-эпоксидным герметиком. Соединения, подверженные воздействию ультрафиолетового излучения, могут быть дополнительно герметизированы лентой из нержавеющей стали для предотвращения разрушения силикон-эпоксидного герметика в результате воздействия ультрафиолетового излучения.
Если источником проблем являются загрязнения, находящиеся в воздухе, то кожух может быть снабжен простым воздушным фильтром. Это обеспечивает возможность постоянной циркуляции воздуха вокруг лампы ультрафиолетового излучения без образования тумана или наращивания биомассы и опасности загрязнения частицами, находящимися в воздухе. Однако рабочая температура лампы, как правило, предотвращает возникновение проблем такого рода. Проблемы попадания болезнетворных спор или обычной пыли, вызывающих проблемы мутности или образования осадков или засоров, будут минимизированы путем минимизации циркуляции воздуха в устройстве.
Кожух состоит из крышки колпака, который при установке на основание полностью закрывает центральный узел. Рама изготовлена из алюминиевого уголка и присоединена к внутренней поверхности основания. Рама обеспечивает каркас для монтажа колпака и центрального узла на основание, а также общую устойчивость центрального узла и устройства в целом.
Если соединения являются критическими местами, устройство должно быть герметизировано. Это обеспечивает непрерывный водовод для впускной воды и биологически очищенной воды, а также минимизирует попадание в воду загрязнений, находящихся в воздухе. Примерами пригодных герметиков являются герметики Silicane II Metall Glue & Seal, выпускаемый на промышленной основе компанией GE Silicones, или 2084 Metall Sealant, выпускаемый на промышленной основе компанией Scotch-Seal.
Монтаж и правильная регулировка. Устройство, соответствующее настоящему изобретению, является прочным и долговечным. Однако есть вероятность того, что это устройство будет применяться в очень суровых условиях, например при высоких температурах и влажности, под проливными дождями, при очень низких температурах и так далее. Для продления срока службы устройства и обеспечения его оптимальной работы должно быть уделено внимание его монтажу и уходу.
В суровых условиях продлить срок службы устройства, а также ограничить попадание частиц и других веществ (включая болезнетворных микробов и насекомых) в питательную воду или полученную чистую воду может помочь простой кожух. Это ограничит величину технического обслуживания, требуемого для поддержания внутренней области устройства свободным от отложений. Как описано выше, устройство может быть заключено в кожух отдельно от впускного питательного желоба, а также от сборного бака для чистой воды.
Если кожух нежелателен или он не имеет практического значения, то полезно расположить устройство вблизи какого-либо укрытия, например под деревом, вблизи утеса, в тени дома и так далее. В качестве навеса для устройства может быть использован рифленый алюминиевый лист или другой материал, пригодный для возведения крыши. Если устройство располагают вблизи стены, то вероятно уже имеется навес, который защитит стену и устройство. В более богатых сообществах отдельные устройства могут быть смонтированы непосредственно в доме. Это обеспечивает максимальную защиту устройства и ограничит потенциальное попадание загрязнений после биологической очистки.
Как правило, предпочтительно, чтобы устройство было смонтировано на некоторой высоте от земли. Такое расположение предотвратит непосредственное попадание в устройство пыли и мусора, высокая концентрация которых имеется непосредственно над поверхностью земли. Такое расположение ограничит также попадание в устройство насекомых и других живых существ. Монтаж и контрольные операции лучше осуществлять, когда устройство находится на возвышении, например на платформе. В одном варианте осуществления настоящего изобретения для обеспечения некоторого просвета с грунтом предусмотрено устройство, монтируемое на коротких стойках.
Монтаж устройства, соответствующего настоящему изобретению, на возвышении особенно важен в сообществах, в которых периодически бывают наводнения, например в сезон дождей в Индии и других соседних странах. В течение этого времени обильные дожди могут смывать нечистоты и другую грязь с полей в колодцы и на поверхность водоемов. Поскольку это может привести к эпидемии холеры или других болезней среди деревенских жителей, особую важность представляет безопасная работа устройства, соответствующего настоящему изобретению. Расположение устройства на возвышении может ограничить или исключить загрязнение такого единственного источника воды болезнетворными микроорганизмами, обитающими в воде.
Для обеспечения биологической очистки питательной воды устройство должно находиться на некотором возвышении. Как правило, устройство будет установлено на бетонной плите или на каменной поверхности. Дополнительное выравнивание может быть осуществлено с помощью клиньев. Такое размещение ограничивает потенциальную возможность возникновения вибраций в процессе биологической очистки, которые потенциально могут нарушить ламинарное течение. В одном варианте осуществления настоящего изобретения на кожухе предусмотрены регулируемые по высоте стойки, которые позволяют регулировку устройства относительно горизонтальной плоскости посредством регулировочных винтов.
Для того, чтобы гарантировать выравнивание, предусмотрены два пузырьковых уровня, которые постоянно закреплены на наружной поверхности кожуха. Один из них расположен на линии, проходящей в одном направлении, а другой - на линии, проходящей в другом. Если устройство смонтировано так, что пузырьки каждого уровня установлены на соответствующих линиях, то устройство установлено для оптимальной работы. Эти уровни необходимо периодически контролировать для того, чтобы гарантировать то, что осадка, вибрации или другая деятельность не вызвали нарушения регулировки устройства.
Скорость потока воды в процессе периодических промывок может быть увеличена подъемом устройства на входном конце с целью обеспечения наклона устройства. Путем увеличения скорости потока воды выше скорости потока, определенной для биологической очистки, вихревые потоки, обратные потоки и повышенное течение будут разрушать отложения, образовавшиеся внутри устройства. Затем они будут вымыты из системы перед возвратом ее в исходное положение. Устройство может быть приподнято в обратном направлении для удаления засоров биомассой перфораций ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки.
Имеется ряд преимуществ, которые следуют из мобильности устройства, соответствующего настоящему изобретению. Устройство может быть транспортировано на удаленные расстояния с помощью простых средств, например на спине животного или даже в рюкзаке пользователем. Устройство достаточно прочно, чтобы выдерживать вибрации перевозки на телеге, запряженной волами, или на джипе по бездорожью.
Мобильность может быть также использована для обеспечения очистки воды из нескольких источников воды в одной области. Для таких случаев применения может оказаться полезной подвижная платформа, например тележка со съемными колесами или носилки с ручками. В этом случае устройство может использоваться для обслуживания всей деревни. Конструкция позволяет последовательное перемещение к различным источникам воды для устранения необходимости физического перенесения воды от первоначального источника к месту биологической очистки и назад к месту потребления воды.
Другие случаи применения. Типичный вариант осуществления настоящего изобретения, описанный со ссылкой на чертежи и в Примере 1, предусмотрен для обеспечения высококачественной питьевой воды для жителей сельских областей и развивающихся стран. Однако изящное и простое устройство для дезинфекции, соответствующее настоящему изобретению, может быть эффективно и часто уникально использовано во многих других случаях применения.
Имеются важные медицинские применения настоящего изобретения. В развивающихся странах надежные источники стерильной воды, как правило, недоступны для клиник и аптек. Однако имеется потребность в безопасной воде для таких целей, как для мытья рук практикующих врачей, орошения и промывки ран, перемешивания фармацевтических препаратов и так далее. В таких случаях применения, как орошение ран и приготовление фармацевтических препаратов, время обработки сточных вод на очистном сооружении может быть увеличено или может быть предусмотрена вода с многократной обработкой для того, чтобы гарантировать стерильность воды, близкую к идеальной. Для хранения и транспортировки воды предпочтительными являются небольшие бутылочки с узким горлом.
Сточные воды из полевых гигиенических устройств необходимо подвергать биологической очистке перед повторным введением в окружающую среду для предотвращения загрязнения поверхности земли или грунтовых вод бактериями, относящимися к бактериям кишечной группы или другим бактериям. Такая вода сравнима со сточными водами, которые производят установки для очистки сточных вод. В таких небольших полевых модулях производительность получения очищенных сточных вод приближается к 500 галлонам (1895 дм3) в день. Такие сточные воды при регулировке коэффициента поглощения могут быть просто биологически очищены с помощью устройства, соответствующего настоящему изобретению, для обеспечения безопасного возврата в окружающую среду.
Интенсивное рыбоводство развивается в очень важную отрасль сельского хозяйства, поскольку чрезмерное рыболовство уменьшает природные рыбные запасы. При выращивании такой рыбы, как лосося, непрерывный поток воды подают через косяк, дающий возможность рыбе непрерывно плавать. Однако такой непрерывный поток воды, содержащий пищевые продукты и продукты элиминации, может быстро создавать высокие уровни бактериальных загрязнений.
Непрерывный поток воды таких систем, предназначенных для рыбоводства, обеспечивает хорошее соответствие с настоящим изобретением. Устройство, соответствующее настоящему изобретению, может быть установлено в небольшом отведенном потоке, который проходил бы непрерывно с большим потоком воды для разведения рыбы. Поскольку задачей является адекватное уменьшение, а не устранение роста бактерий, расход воды для устройства будет значительно увеличен. То есть наибольший расход, который позволит уменьшать уровни содержания бактерий в питательной воде приблизительно на 80%, вероятно обеспечит оптимальную степень очистки. Задачей будет уничтожать в самый короткий промежуток времени так много бактерий, чтобы в исходную воду для разведения рыбы немедленно возвращалась бы "чистая" вода.
С помощью устройства, соответствующего настоящему изобретению, также эффективно осуществляется дезинфекция биоопасных жидкостей. Например, трудно дезинфицировать большие объемы сыворотки, применяемой для производства вакцин против опасных болезнетворных микроорганизмов. Многие из таких отходов содержат вирусные загрязнения, которые потенциально очень вирулентны. Устройство, соответствующее настоящему изобретению, очень эффективно нейтрализует этот риск.
Поддоны в больших охлаждающих устройствах, например в градирнях или в больших системах кондиционирования воздуха, чувствительны к развитию болезнетворных микроорганизмов и их широкомасштабному рассеиванию. Проблема "болезни легионеров" возникает в том случае, когда такая смертельно опасная болезнь распространяется через систему кондиционирования воздуха в отеле. Имеются проблемы, связанные с развитием биомассы на конструкциях градирен, используемых в тяжелой промышленности. Компактное и производительное устройство, соответствующее настоящему изобретению, обеспечивает идеальное решение таких проблем.
Другим эффективным применением устройства, соответствующего настоящему изобретению, является получение асептической воды для колоний исследуемых животных, которые содержат в асептических условиях. Например, питательная вода может быть взята из системы муниципального водоснабжения. Поскольку очистка является непрерывной, животные будут постоянно иметь подачу свежей питьевой воды. Это было бы существенным усовершенствованием по сравнению со стандартными способами использования дорогой дистиллированной воды.
На фиг.1 показан в соответствии с настоящим изобретением продольный разрез устройства 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения, снабженного системой подачи питательной воды самотеком. На верхней части устройства 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения смонтирован впускной желоб 3, имеющий длину, составляющую, как правило, один метр. Питательная вода 5 ограничена по высоте до 10 см стенками 7 впускного желоба, которые не поднимаются выше этой высоты, измеряемой от дна 9 впускного желоба. Поскольку впускной желоб 3, как правило, закрыт только частично, если закрыт вообще, то стенки 7 впускного желоба эффективно ограничивают высоту питательной воды 5. Этот элемент обеспечивает верхнюю границу водяного столба выше устройства 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения, гарантируя то, что заданный расход питательной воды 5 самотеком для адекватной очистки ультрафиолетовым излучением никогда не превышается.
Впускное отверстие 11 (диаметром приблизительно 1,5 см), как правило, выступает во впускной желоб 3 через дно 9 впускного желоба. Край 13 впускного отверстия проходит вверх от дна 9 впускного желоба, как правило, на 2-3 см. Если питательная вода 5 несет нерастворимые частицы, некоторая часть этих материалов будет естественным образом оседать на дне 9 впускного желоба в виде отложений 15 впускного желоба. При промывании питательной воды 5 во впускном желобе 3 такие отложения 15 впускного желоба могут повторно перемешиваться с питательной водой 5 ((прим.пер.) в оригинале текста описания на английском языке, вероятно, ошибочно написано "питательной водой S"), потенциально ухудшая биологическую очистку с помощью ультрафиолетового излучения питательной воды 5 ((прим.пер.) в оригинале текста описания на английском языке, вероятно, ошибочно написано "питательной воды S"), а некоторая часть осаждается в устройстве 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения, которая может ограничивать отражательную способность внутренних поверхностей. Обеспечение края 13 впускного отверстия затрудняет эту возможность. В промежутках между биологическими очистками отложения 15 ((прим.пер. ) в оригинале текста описания на английском языке, вероятно, ошибочно написано "отложений 1S") впускного желоба могут быть удалены со дна 9 впускного желоба. Дно 9 впускного желоба может быть предусмотрено со сливным отверстием 17 впускного желоба, которое заглушено в процессе сеансов биологической очистки, но может быть открыто для осуществления очистки впускного желоба 3, обеспечивая возможность промывки накопленных отложений 15 впускного желоба. Впускное отверстие 11 дополнительно предусмотрено с сетчатым фильтром 19 впускного отверстия, выполненным в виде бокса, который предотвращает попадание во впускное отверстие 11 более крупных частиц, например мелких палочек, или камешков, или плавающих листьев, потенциально ухудшающих эффективность устройства 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения. Сетчатый фильтр 19 впускного отверстия служит также в качестве сдерживающего средства для нетерпеливого пользователя, принудительно подающего воду при чрезмерном расходе путем присоединения нагнетательного насоса к впускному отверстию 11.
Питательная вода 5 поступает в устройство 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения через впускное отверстие 11 самотеком. Высота стенок 7 впускного желоба и диаметр впускного отверстия 11 выбраны так, чтобы обеспечивать подачу питательной воды 5, составляющую приблизительно 4 галлона в минуту. Впускное отверстие 11 входит во впускной коллектор 21, который состоит из вертикальной питательной трубы 23 (длина которой составляет приблизительно 21 см). Таким образом, впускной коллектор 21 образует конфигурацию, форма которой напоминает перевернутую букву Т. Впускная питательная труба 23 входит в устройство 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения сверху, пересекая колпак 27 наружного кожуха через отверстие. Во впускной питательной трубе 23 предусмотрен электромагнитный запорный клапан 29, который остановит поток питательной воды 5 в устройстве 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения, если прекращается подача электропитания к устройству 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения.
Большая часть впускного коллектора 21 расположена во впускной камере 31. Впускная камера 31 ограничена впускной стенкой 33 главного желоба (размером приблизительно 30 см • 8 см), дном 35 главного желоба и ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородкой 37 (размером приблизительно 20 см • 8 см). Между впускной стенкой главного желоба и ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородкой 37 имеется промежуток, составляющий приблизительно 7 см. Впускная питательная труба 23, как правило, упирается в ламинаризирующую перфорированную направляющую перегородку 37.
Впускная распределительная труба 25, как правило, лежит непосредственно на угловых стенках дна 35 главного желоба, обеспечивающих значительную устойчивость. Кроме того, впускная распределительная труба 25, как правило, присоединена к ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородке 37 посредством кольцевых креплений 39. Распределительная труба 25 предусмотрена с отверстиями 41 распределительной трубы, которые обеспечивают прохождение потока питательной воды 5 во впускную камеру 31. Размер и позиционирование отверстий 41 распределительной трубы обеспечивают получение относительно постоянного давления питательной воды 5 во впускной камере 31.
Регулирование давления воды, входящей в устройство 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения, обеспечивается посредством водяного столба, имеющего определенную высоту во впускном желобе 3, устанавливаемую посредством ограничения высоты стенок 7 впускного желоба, и посредством ограничения впускного потока питательной воды путем ограничения диаметра впускного отверстия 11. Если эти элементы безопасности отчасти обойдены, впускная стенка 33 главного желоба и стороны, соединяющие впускную стенку 33 главного желоба и ламинаризирующую перфорированную направляющую перегородку 37, которые не видны на чертеже, предусмотрены на ограниченной высоте, так что питательная вода 5 будет переливаться через эти стенки, главным образом через боковые стенки. Эта избыточная питательная вода 5 падает на основание 43 наружного кожуха, где она стекает через обычный зазор, который имеется в соединении верхней части 27 наружного кожуха и основания 43 наружного кожуха.
Имеется вторая область сброса, в которой питательная вода 5 может переливаться через впускную стенку 33 вторичного дренажа, причем избыточная питательная вода 5 улавливается в пространстве, образуемом стенкой 33 главного желоба и входным плоским брызговиком 45 (размером 16 см • 30 см), где она будет, когда переливается через боковые стороны, соединяющие впускную стенку 33 главного желоба и ламинаризирующую перфорированную направляющую перегородку 37, сливаться через обычный зазор, который имеется у соединения верхней части 27 наружного кожуха и основания наружного кожуха. Когда это имеет место, плоский брызговик 45 защищает электрические соединения, которые находятся за ним.
Входной плоский брызговик 45 расположен параллельно концу входного конца 46 (наружного кожуха), который образован в том месте, где основание 43 наружного кожуха проходит вверх у входного конца устройства 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения. Входной конец 46 наружного кожуха плотно прилегает к плавкому предохранителю 42 и прерывателю 44.
Камера 47 для биологической очистки ограничена ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородкой 37, дном 35 главного желоба, выпускной сливной перегородкой 49 (размером приблизительно 30•4 см) и изогнутым верхним отражателем 51 (длина в окружном направлении 42 см, диаметр 30 см), причем перегородка и отражатель разнесены в продольном направлении на 4 см. В изогнутом верхнем отражателе 51 расположена лампа 53 ультрафиолетового излучения, которая установлена в патроне 54. Патрон 54, в свою очередь, прикреплен к изогнутому верхнему отражателю 51 с помощью крепежных болтов 52 патрона. Таким образом, изогнутый верхний отражатель 51 поддерживает и подвешивает лампу 53 ультрафиолетового излучения выше камеры 47 для биологической очистки. Кроме того, торцевой отражатель 55 плотно прилегает к крепежному зажиму 56 лампы ультрафиолетового излучения, который поддерживает лампу 53 ультрафиолетового излучения на конце, который ближе всего расположен к впускной камере 31. Центральная ось лампы 53 ультрафиолетового излучения расположена на 8 см выше дна 35 главного желоба и на 7 см ниже изогнутого верхнего отражателя 51.
Блок 57 источника питания через реле отключения обеспечивает подачу электропитания к лампе 53 ультрафиолетового излучения по цепи 59 лампы через балластную электронагрузку, которая не показана на этом чертеже. Помимо этого, блок 57 источника питания и реле отключения соединен с электромагнитным запорным клапаном 29 через обмотку 62 соленоида.
На впускном конце устройства изогнутый верхний отражатель 51 упирается в торцевой отражатель 55, размеры которого составляют приблизительно 30 см • 13 см. Торцевой отражатель 55 проходит в направлении вниз от верхней части параллельно ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородке 37, причем его нижний край, как правило, находится ниже поверхности питательной воды 5, которая проходит через камеру 47 для биологической очистки. Между торцевым отражателем 55 и ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородкой 37 имеется зазор, который составляет приблизительно 2,5 см.
Дно 35 главного желоба лежит непосредственно на основании 43 наружного кожуха. Дно 35 главного желоба расположено под углом для направления ламинарного потока 63 питательной воды 5, создаваемого ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородкой 37. Такое угловое расположение описано со ссылкой на последующие чертежи. Благодаря изготовлению главного желоба, кроме его торцов (на этом чертеже не показано), из одного металлического листа достигают получения превосходной устойчивости конструкции и минимального числа соединений.
Кривизна изогнутого верхнего отражателя 51 улавливает утрачиваемое в ином случае ультрафиолетовое излучение от верхней части лампы 53 ультрафиолетового излучения, направляя его назад к ламинарному потоку 63. Питательная вода 5 пересекает камеру 47 для биологической очистки и затем переливается через выпускную сливную перегородку 49. При взаимодействии эти различные элементы камеры 47 для биологической очистки обеспечивают то, что питательная вода 5, направляемая в ламинарном потоке 63, как правило, получает аналогичную дозу ультрафиолетового излучения всякий раз, когда он проходит через камеру 47 для биологической очистки. Выпускной бокс 65 принимает очищенную воду 67, когда она переливается через выпускную сливную перегородку 49, которая отстоит приблизительно на 5,5 см от задней стенки выпускного бокса 65. Основание выпускного бокса 65 находится ниже дна 35 главного желоба приблизительно на 7 см и выше основания 43 наружного кожуха. Выпускной бокс 65 предусмотрен с выпускным каналом 69 (имеющим диаметр приблизительно 2,5 см), через который из устройства 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения выходит поток очищенной воды 67.
Торцевая стенка колпака 27 наружного кожуха, прилегающая к выпускному боксу 65, предусмотрена со смотровым окном 71, имеющим диаметр, составляющий приблизительно 5,5 см. Оно выполнено из материала, который защитит от повреждения глаза пользователя, наблюдающего состояние лампы 53 ультрафиолетового излучения. Оно прикреплено к колпаку наружного кожуха четырьмя винтами.
На фиг. 2 приведено изометрическое изображение сверху донизу колпака 27 наружного кожуха, имеющего размеры приблизительно 20•35•69 см, со спиртовым уровнем 84, главный желоб 73, имеющий размеры приблизительно 18•30•61 см, и основание 43 наружного кожуха, имеющее размеры приблизительно 18•34•66 см.
Изображение, показанное на фиг. 2, иллюстрирует, как устройство 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения собирают и разбирают для производства, очистки и технического обслуживания. То есть после полной сборки главный желоб 73 установлен в основании 43 наружного кожуха, причем выпускной канал 69 проходит через отверстие в основании 43 наружного кожуха, которое не показано на этом чертеже. Нижняя поверхность главного желоба 73, то есть дно 35 главного желоба, лежит непосредственно на основании 43 наружного кожуха.
На этом изометрическом изображении становятся очевидными многие элементы устройства 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения в соответствии с настоящим изобретением. Угловые стенки (размером приблизительно 11•61 см) главного желоба проходят от дна 35 (размером приблизительно 10 см • 61 см) главного желоба к вертикальным стенкам 77 (размером приблизительно 4 см • 61 см) главного желоба.
Устройство для дезинфекции может иметь габариты приблизительно 5 м • 2 м • 2 м, либо - 1,20 м • 0,25 м • 0,25 м, или, наконец, 0,30 м • 0,15 м • 0,15 м.
Изогнутый верхний отражатель 51 проходит и перекрывает на 2,5 см наружную поверхность вертикальных стенок 77 главного желоба, где он болтами закреплен по месту, обеспечивая значительную конструктивную устойчивость главному желобу 73. Такая конструкция позволяет любому конденсату, образованному между изогнутым верхним отражателем 51 и колпаком 27 наружного кожуха, вытекать из камеры 47 для биологической очистки, предотвращая возникновение каких-либо проблем, связанных с загрязнением, указывая пользователю, который наблюдает поверхностный сток с основания 43 через дренажные отверстия 85, размер этой проблемы. Дренажные отверстия 85, как правило, плотно прилегают к сетчатому фильтру для предотвращения проникновения паразитов и других вредителей.
Лампа 53 ультрафиолетового излучения подвешена в изогнутом верхнем отражателе 51 посредством крепежного зажима 56 (не показанного на этом чертеже) лампы ультрафиолетового излучения, прикрепленного на одном конце к торцевому отражателю 55, и посредством патрона 54, который прикреплен к изогнутому верхнему отражателю 51 с помощью крепежных болтов 52 патрона. Кварцевые трубчатые протекторы, соответствующие предшествующему уровню техники, для лампы 53 ультрафиолетового излучения в устройстве, соответствующем настоящему изобретению, исключены, поскольку лампа 53 ультрафиолетового излучения соответственно подвешена выше потока питательной воды 5, а также поскольку лампа 53 ультрафиолетового излучения горит при достаточной температуре, при которой никогда не происходит конденсация на ее поверхности. Отсутствие образования конденсата и тяжелая ультрафиолетовая бомбардировка предотвращают возникновение проблем, связанных с наращиванием биомассы, которые были серьезными недостатками конструкций предшествующего уровня техники.
Лампа 53 ультрафиолетового излучения обеспечивается электропитанием через балластную электронагрузку 79, причем электропитание подводят посредством выходного щитка 81. Как правило, конденсация имеет место между колпаком 27 наружного кожуха и верхней поверхностью изогнутого верхнего отражателя 51 в процессе эксплуатации устройства 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения вследствие высокой влажности, которая естественно имеет место при повышенных температурах в замкнутом пространстве, содержащем жидкость. Эта конденсация представляет возможную опасность для балластной электронагрузки 79 и выходного щитка 81, а также для соединительных проводов. По этой причине эти электрические приборы, как правило, будут иметь водостойкое покрытие, образованное между ними и изогнутым верхним отражателем 51 для отклонения падающих на них капель конденсата, и наклон изогнутого верхнего отражателя 51 вниз к основанию 43 наружного кожуха, где избыток конденсата стекает из устройства 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения.
Ламинаризирующая перфорированная направляющая перегородка 37 возвышается от дна 35 главного желоба, проходящего вдоль угловых стенок 75 главного желоба вверх к верхнему краю вертикальных стенок 77 главного желоба. Ламинаризирующая перфорированная направляющая перегородка 37 предназначена для позиционирования питательной воды 5 так, чтобы обеспечивать узкое распределение дозы ультрафиолетового излучения. Однако ламинаризирующая перфорированная направляющая перегородка 37 не ограничивает высоту питательной воды 5. Высота питательной воды, когда она пересекает устройство 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения, абсолютно ограничена до высоты вертикальных стенок 75 главного желоба, которая соответствует производительности очистки.
Конечный регулятор уровня питательной воды 5 в процессе биологической очистки в устройстве 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения представляет собой выпускную сливную перегородку 49, которая возвышается только до соединения угловых стенок 75 главного желоба и вертикальных стенок 77 главного желоба. Какая-либо неадекватная высота питательной воды 5 ((прим.пер.) в оригинале текста описания на английском языке, вероятно, ошибочно написано "питательной воды S"), которая потенциально может образоваться вследствие неправильной эксплуатации или усилий, направленных на разрушение элементов безопасности, будет пассивно предотвращена общей ограниченной высотой вертикальных стенок 77 главного желоба, ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородкой 37 главного желоба и высотой выпускного бокса 65. Главный желоб 73 сделан на 1 дюйм (25,4 мм) меньше основания 43 наружного кожуха и колпака 27 наружного кожуха, так что есть места для перелива из главного желоба 73. Основание 43 наружного кожуха предусмотрено с установочным выступом 83, который предназначен для удержания колпака 27 наружного кожуха по месту, но также обеспечивает достаточный зазор для обеспечения возможности прохождения потока избыточной воды из устройства. В странах с климатом, отличающимся высокой влажностью, или в тех случаях применения, где ожидается постоянный перелив, в основании 43 наружного кожуха могут быть предусмотрены необязательные дренажные отверстия 85, защищенные проволочной сеткой. Спиртовой уровень 84 расположен рядом со смотровым окном 71.
На фиг.3, на которой показано поперечное сечение устройства 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения на уровне ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородки 37, иллюстрируется соотношение колпака 27 наружного кожуха и основания 43 наружного кожуха. Как показано, дно 35 главного желоба лежит непосредственно на основании 43 наружного кожуха. Угловые стенки 75 главного желоба стоят свободно, и между вертикальными стенками 77 главного желоба и колпаком 27 главного кожуха имеется зазор, равный приблизительно одному дюйму (25,4 мм). Ламинаризирующая перфорированная направляющая перегородка 37 предусмотрена с равномерно распределенными по ней отверстиями 64 диаметром приблизительно 0,6 см, одинаково отстоящими друг от друга приблизительно на 2,0 см. Они предназначены для получения ламинарного потока питательной воды 5 в камере 47 для биологической очистки, как показано на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.3 показано также, как впускной коллектор 21 присоединен к ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородке 37. Это вызывает некоторое затенение ламинарного потока питательной воды 5 непосредственно после того, как она пересекает ламинаризирующую перфорированную направляющую перегородку 37, но не достаточно для ухудшения ламинарного течения в камере 47 для биологической очистки, когда этот поток достаточно силен для того, чтобы переориентировать питательную воду 5 в затененной области.
На фиг.4 показано поперечное сечение устройства 1 для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения на уровне выпускной сливной перегородки 49. Из этого чертежа очевидно, что выпускная сливная перегородка 49 только достигает верхнего уровня угловых стенок 75 главного желоба и заканчивается сразу на нижнем конце вертикальных стенок 77 главного желоба.
На фиг.5 приведено детальное изображение впускного коллектора 21, содержащего впускную питательную трубу 23 и впускную распределительную трубу 25. На этом чертеже показаны отверстия 41 распределительной трубы. Как правило, они будут направлять поток питательной воды 5 к впускной стенке 33 главного желоба, как показано на фиг.1.
На фиг. 6 приведена принципиальная электрическая схема выходного щитка 81, который регулирует подачу электропитания к электронагрузке 79 и лампе 53 через патрон 54. Плавкий предохранитель 42 и водостойкий прерыватель 44 также показаны соединенными с источником питания.
На фиг.7 показан один способ осуществления быстрого приблизительного контроля мутности питательной воды 5 ((прим.пер.) в оригинале текста описания на английском языке, вероятно, ошибочно написано "питательной воды S") во впускном желобе 3. В этом случае пользователь смотрит вдоль стенок 7 выпускного желоба на смотровое зеркало 87. Смотровое зеркало 87 обеспечивает возможность обзора через питательную воду 5 вдоль длины впускного желоба 3. Визирная марка 89 предусмотрена на дальней стенке 7 впускного желоба. Если изображение становится темным, то требуется большее время отстоя или для обеспечения гарантии адекватной очистки обеспечивается множество проходов питательной воды 5.
Пример 1
Распределение времени обработки воды в устройстве для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает одну меру степени, до которой эффективна конструкция. Поскольку часть воды с самым коротким временем обработки должна принимать адекватное экспонирование в ультрафиолетовом излучении для дезинфекции, широкое распределение времени обработки означает, что устройство чрезмерно облучает много воды, проходящей через него, и потенциально недостаточно облучает части с самым высоким временем обработки.
Слабую кислоту дополнительно вводили во впускное отверстие в качестве индикатора, а ее поступление в выпускное отверстие контролировали посредством измерителя кислотности. Поскольку измеритель кислотности обеспечивает логарифмическую реакцию на концентрацию индикаторной кислоты, могут быть также просто измерены очень низкие концентрации. Основываясь на этом методе, было определено, что самое короткое время обработки воды в одном варианте осуществления настоящего изобретения составляет приблизительно 10 секунд, которое соответствует расчетам, сделанным при проектировании.
Радиометрическая конструкция устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения в соответствии с настоящим изобретением допускает коэффициент поглощения ультрафиолетового излучения 0,3 см во впускаемой воде, который соответствует воде, выпускаемой из муниципальных установок для очистки сточных вод в США. Для оптимизации экспонирования в ультрафиолетовом излучении размеры желоба и положение лампы изменяли, используя радиометрические расчеты.
Комбинированные бактерицидные характеристики устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения в соответствии с настоящим изобретением проверяли путем измерения его эффективности в уничтожении маркерных бактерий, которыми были засеяна впускаемая вода. Для этих испытаний впускаемая вода была засеяна бактериями типа Е. coli для получения концентраций 100000 колониеобразующих единиц на 100 мл воды. Для каждого испытания измеряли концентрацию бактерий Е. coli во впускаемой воде и выпускаемой воде. Впускную концентрацию колониеобразующих единиц измеряли по меньшей мере на двух различных пробах, а выпускную концентрацию колониеобразующих единиц измеряли по меньшей мере на трех различных пробах. В этих измерениях использовали стандартные испытания фильтрованием через мембрану. В этих испытаниях стандартный объем пробы воды фильтровали через мембрану. Затем на мембране культивировали агар и проводили инкубацию в течение суток. Число видимых колоний на мембране позволило вычислить в пробе воды концентрацию колониеобразующих единиц.
Дезинфицирующую способность устройства выражали пропорцией выживших микроорганизмов Е. coli. Пропорцию выживших микроорганизмов определяли как отношение концентрации колониеобразующих единиц в выпускаемой воде к концентрации колониеобразующих микроорганизмов во впускаемой воде. Начальные измерения пропорции выживших микроорганизмов проводили в деионизованной воде, заселенной микроорганизмами Е. coli. Затем такие испытания повторно проводили в мутной воде, заселенной микроорганизмами E.coli. Различные уровни мутности (измеренные в единицах нефелометрической мутности) получали во впускаемой воде путем введения в деионизованную воду измеренных количеств стандартной каолинитовой глины. Значения единиц нефелометрической мутности воды определяли с помощью нефелометра факультета инженерных методов охраны окружающей среды колледжа университета Беркли. Проведено сравнение значений пропорций выживших микроорганизмов в функции от мутности впускаемой воды. Деионизованная вода, заселенная микроорганизмами Е. coli в концентрации 105 колониеобразующих единиц на 100 мл воды, визуально выглядит столь же прозрачной, как обычная водопроводная вода. Вода с концентрацией 105 колониеобразующих единиц на 100 мл воды и мутностью 5 единиц нефелометрической мутности выглядит определенно мутной при наблюдении в обычно освещенной комнате в прозрачной чашке для питья.
Пример 2
Другие устройства для дезинфекции были изготовлены в Бомбее и их эксплуатационные характеристики измеряли в коммерческой лаборатории патологии, используя протокол Всемирной организации здравоохранения. Во впускное отверстие устройства для дезинфекции вводили дистиллированную воду, заселенную микроорганизмами Е. coli в концентрации 100000 колониеобразующих единиц, а в выпускаемой воде измеряли количество выживших микроорганизмов Е. coli, используя культивированный мембранный фильтр. Многократные испытания показали 0 или 1 колониеобразующую единицу Е. coli на 100 мл выпускаемой воды, что соответствует нормам Всемирной организации здравоохранения.
Предлагаемое устройство способно уменьшать уровни и других жизнеспособных болезнетворных микроорганизмов в питательной воде. Так, кроме Е.Coli (1,2•10/100 мл) может быть уменьшено содержание Salmonella Typhi (1,3•10/100 мл), Vibreo Cholerae (1,7•10/100 мл), Str.faecalis (1,3•10/100 мл), Cl. Welchii (5,6•10/100 мл), Shigella Dysenteriae (1,7•10/100 мл), Proteus Vulgaris (1,4•10/100 мл), Klebsiella Aerogens (2,1•10/100 мл), Ent. Eloaceae (1,9•10/100 мл), или Pseudomonas aeruginosa (2,5•10/100 мл) - до менее, чем одного жизнеспособного болезнетворного микроорганизма на 100 мл питательной воды.
Эффективность дезинфекции воды другого устройства для дезинфекции, соответствующего настоящему изобретению, была испытана в институте Хаффкина в национальной лаборатории патологии и инфекционных заболеваний в Бомбее, Индия. В испытаниях, проводимых в институте Хаффкина, каждый из болезнетворных микроорганизмов отдельно вводили в 200 литров водопроводной воды, в которой хлор был нейтрализован. Концентрации микроорганизмов измеряли в воде перед и после ее прохождения через устройство для дезинфекции. Вследствие технических трудностей, связанных с регулированием расхода воды, измерения делали 22 раза в минуту, а не 30. При такой интенсивности измерений испытания показали полное уничтожение болезнетворных микроорганизмов в потоке выпускаемой воды. По результатам испытаний был сделан вывод, что выпускаемая из устройства для дезинфекции вода с бактериологической точки зрения пригодна для питья.
Применение устройства для дезинфекции, соответствующего настоящему изобретению, показало, что дезинфекция с помощью ультрафиолетового излучения осуществляется с большой скоростью (менее чем за 15 секунд) и с небольшими затратами (менее чем 2 цента за метрическую тонну). Кроме того, измерительная аппаратура проста для монтажа и транспортировки. Хотя устройство не обеспечивает остаточной защиты, дезинфекция с помощью ультрафиолетового излучения уничтожает бактерии, относящиеся к бактериям кишечной группы в выпускаемой воде (менее чем одна фекальная бактерия, относящаяся к бактериям кишечной группы, на 100 мл воды) при обработке впускаемой воды с концентрацией 100000 фекальных бактерий, относящихся к бактериям кишечной группы, на 1000 мл воды. Инфицирующая доза составлена доктором Колвеллом для брюшных болезнетворных микроорганизмов (Колвелл, Конференция Национальной академии наук, Вашингтон, 1995 год). Инфицирующая доза будет безусловно изменяться в зависимости от иммунологического статуса и общего состояния здоровья инфицируемого субъекта.
Данная пропорция выживших микроорганизмов Е. coli, измеренная в лаборатории при применении устройства для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения в соответствии с настоящим изобретением, позволяет сделать вывод, что устройство для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает адекватную защиту от широкого диапазона брюшных болезнетворных микроорганизмов.
Изобретение относится к устройствам дезинфекции воды. Устройство содержит систему подачи воды самотеком и подвешенную лампу ультрафиолетового излучения. Устройство снабжено ламинаризирующей перфорированной направляющей перегородкой, расположенной ниже по технологической цепочке от системы подачи воды. Устройство обеспечивает получение дешевой питьевой воды больших количеств. 35 з.п. ф-лы, 7 ил.
| US 5503800 А, 02.04.1996 | |||
| Устройство для управления золотниковым распределителем | 1975 |
|
SU563133A1 |
| Устройство для обработки воды | 1988 |
|
SU1600777A1 |
