CN108430931B - 液体处理方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种使用紫外辐射来处理液体的方法和设备。呈超临界流的液体的薄流被薄流外部的至少一个辐射源照射。理想地，该流可以具有大于3的福禄数和大于0.8m/s的速度。用于处理液体的设备可以具有储液器和至少一个辐射源，该储液器通过槽将液体供应到敞开的通道中以产生沿着通道的具有超临界流的液体的薄流，所述至少一个辐射源位于薄流外部且用以照射薄流。

Description

液体处理方法和设备

技术领域

本发明涉及使用紫外辐射来处理液体的方法和设备。

背景技术

已知紫外辐射是有效的杀菌剂。目前，利用紫外光处理的应用包括液体的消毒。

使用设置在待处理的液体流内的石英管中的UV辐射源的系统被广泛地使用。紫外辐射源浸没在液体中的任何系统都具有电气连接和相关的防水复杂性。这些系统通常还需要石英护罩来保护紫外光源免受液体影响，其中，该护罩吸收一些紫外辐射并且降低总体效率。这些石英管还需要定期清洁。这些复杂性增加了构造及维护现有技术的系统的成本。由于流体与反应器的壁和石英管的壁的摩擦，还会产生压力损失。如果反应器内的管之间的间距被减小以改善对具有较低透射率的液体的处理，则这可能是相当显著的，这是因为：润湿的表面区域随着管间距减小而增大，并且对于给定的液体流量，速度随着管间距减小而增大。

为了达到可接受的液体消毒程度，必须向液体传输合适剂量的紫外辐射。传输至液体的剂量被定义为紫外辐射强度与液体暴露于紫外辐射的持续时间的乘积，该持续时间也被称为保持时间。

当使用紫外辐射来处理液体时，重要的是应当注意，液体可能含有使液体变色、模糊和/或变浑浊的材料。这种材料降低了紫外辐射穿过液体的可透性，从而导致液体中的紫外辐射强度降低。因此，降低了处理的有效性。

因而，可以通过增加保持时间、光强度或者保持时间和光强度两者来增加剂量水平。

在紫外光液体处理系统中的较长保持时间可以通过在液体被紫外辐射照射时减小液体的流量来实现。结果，减小了系统的总体流量。

替代性地，为了获得较高的剂量，可以增大辐射的强度。增大待处理的液体中紫外辐射的强度的一种简单方法是增大源处辐射的初始强度。作为示例，这可以通过使用更大数目的紫外辐射源和/或更高功率的紫外辐射源来实现。然而，使用这种方法的系统具有资金成本和操作成本较高的缺点。

代替增加强度，可以改变液体的性质以实现液体内辐射强度的增加。一种可能的改变是减小被照射的液体的深度或厚度。在WO00/68152中，通过将液体引导到其中定位有管状紫外辐射源的筒形壳体中来减小待处理的液体的厚度。由于筒形壳体的壁与管状紫外辐射源之间仅有较小的径向间隙，因此液体沿着紫外辐射源流动成薄流。然而，为了保持薄流中的处理能力，必须增大液体流过系统的速度。由于系统是封闭的并且具有相对于系统中液体体积较大的与液体接触的表面积，因此增大的速度产生较高程度的摩擦并且因此需要更大的驱动压力，从而需要例如更大的泵和更高的操作成本。

出于确定样品液体的致死剂量的目的，还提出了浅床式反应器设计。该反应器产生流过暴露于UV辐射的床的薄液体流。这是仅出于试验的目的提出的，而不是出于全规模处理的目的提出的。此外，床的斜度相对较平并且液体进入床不被约束成例如允许适于商业处理的较高的液体流量和较薄的深度。

还提出了其他薄流系统。WO2006106363提出了使用旋转鼓，该旋转鼓在其旋转时拾取呈薄膜形式的液体。该系统的通过量较低。其他系统提出了薄降膜，包括US3659096和Shama et al.in J.Chem Tech.Biotechnol.1996,65,56-64。由于通过系统的流量有限，这些系统相对于被处理的液体体积具有较大的尺寸要求。在这些系统中，还可能难以保持均匀的液体片，从而导致不均匀的处理。

本发明的目的在于，提供一种通过紫外辐射来处理液体的改进的方法和设备，或者至少为公众提供有用的选择。

发明内容

根据一个示例性实施方式，提供了一种处理液体的方法，该方法包括以下步骤：

i.形成呈超临界流的液体的薄流，该薄流具有大于3的福禄数(Froude Number)；以及

ii.使用在薄流外部的至少一个辐射源来照射薄流。

根据另一示例性实施方式，提供了一种处理液体的方法，该方法包括以下步骤：

i.形成呈超临界流的液体的薄流，该薄流具有小于6mm的深度；以及

ii.使用在薄流外部的至少一个辐射源来照射薄流。

根据又一示例性实施方式，提供了一种处理液体的方法，该方法包括以下步骤：

i.形成呈超临界流的液体的薄流，该薄流具有大于0.8m/s的速度；以及

ii.使用在薄流外部的至少一个辐射源来照射薄流。

根据另一示例性实施方式，提供了一种用于处理液体的设备，该设备包括：

i.液体源；

ii.敞开的通道；

iii.从液体源至敞开的通道的槽，该槽具有小于等于6mm的高度，该槽构造成产生沿着通道的具有超临界流的液体的薄流；以及

iv.至少一个辐射源，所述至少一个辐射源在薄流外部且用以照射薄流。

公认地，术语“包括”、“包含”和“包含有”在不同的司法管辖下可以具有封闭性含义或开放性含义。为了本说明书的目的，并且除非另有说明，否则这些术语意在具有开放性含义——即，这些术语将被视为表示包括术语的使用直接提及的所列举的部件并且还可能包括其他未指明的部件或元件。

在本说明书中对任何文献的引用并不视为承认这些文献是现有技术，能够与其他文献有效结合或者这些文献形成公知常识的一部分。

附图说明

并入说明书中并构成说明书的一部分的附图图示了本发明的实施方式，并且附图与上面给出的本发明的一般性描述和下面给出的实施方式的详细描述一起用于说明本发明的原理，附图中：

图1是根据一个实施方式的液体处理设备的剖面侧视图；

图2是根据另一实施方式的液体处理设备的剖面侧视图；

图3是图2中示出的液体处理设备的立体图；

图4是根据又一实施方式的液体处理设备的剖面侧视图；

图5是图4中示出的液体处理设备的立体图；

图6是根据再一实施方式的液体处理设备的剖面侧视图；

图7是图6中示出的液体处理设备的立体图；

图8是根据又一实施方式的液体处理设备的剖面侧视图；以及

图9是图8中示出的液体处理设备的立体图。

具体实施方式

将通过使用紫外(UV)辐射的示例对本发明进行描述，但是应当理解的是，在合适的情况下可以使用其他形式的辐射。由于光强度随着光穿透液体而以指数方式减小，因此由于处理具有较低UV光可透性的受污染液体或受遮蔽的液体的效率和能力提高，具有液体的薄流的系统是所期望的。为了保持处理能力，必须增大液体流过系统的速度。然而，需要使由摩擦引起的压力损失最小化以避免过度地增加资金成本和操作成本。

图1示出了根据示例性实施方式的液体处理设备1。待处理的液体的源2可以是保持重力液体压力的集液箱或其他储液器，重力液体压力为离开2的流提供驱动能量。门3用来限制液体流从源2离开以形成具有所需深度和流量的相当薄的流。门3可以是用于减少或控制流的闸门、槽、阀门或任何其他合适的装置，包括可以使用一个或更多个孔设置在阻挡件中的任何合适的布置。保持薄流增加了提供给液体的紫外辐射的有效剂量，这是因为与传统系统相比，由于由液体层引起的衰减减少，UV辐射更有效地传输至流。为了保持处理能力，由于该系统的深度相对于现有技术的系统减小，因此必须形成具有相对较高的速度的薄流。

液体在其中流动的通道4由底面和两个侧面包围，使顶面敞开或至少不与液体接触。敞开的通道的设计还允许一个或更多个紫外辐射源5沿着通道的敞开的顶面的布置。紫外辐射源5可以与液体间隔开一段距离，使得紫外辐射源5不可能与液体接触并被污染。这种系统可以不需要现有技术的系统所必需的石英护罩，尽管在一些应用中该石英护罩可能是有用的。

门3在门与通道4的基部之间形成呈槽的形式的较小开口。这允许液体的薄流6流出源2。这可以实现对槽高度的手动调节或自动调节。根据应用和待处理的液体的性质，将门3构造成以小于4mm的槽高度进行操作可能有益的。已经测试了约2mm的深度并且发现其对于处理一系列城市废水流出物是有效的。更浅的深度，比如小于等于1mm可以在下述情况下使用：待处理的液体具有较低的光可透性，使得进一步减小深度的处理益处确保较高的压力需求，以通过该更小的间隙排出相同体积的液体(或对于给定的压力，确保给定处理单元的流量减少)。如果要求更高的通过量并且可透性允许与在2mm时相比能够更经济地达到处理目的，则可以确保更大的比如说上至6mm的厚度。

可以通过将液体储存在如图1中所示的储液器中并且通过将门3定位在储液器的底部以利用液体的重力势能来产生液体的高速流。该设备类似于河流中的水坝。当门3打开时，液体将以相对较高的速度排出。为了使液体的重力势能与高速动能的转化最大化，门3优选地为狭窄的槽。根据液体处理设备的应用和待处理的液体的性质，可能是有益的是，将速度设置为大于0.8m/s、大于1m/s或大于2.5m/s。

本发明的替代实施方式可以利用泵或其他机械装置来提供所需的压力。无论产生高速流的装置是什么，门3都确保在一定的流量范围下保持深度。

已经发现的是，为了在确保适当处理的同时获得足够的通过量，应当使用超临界流。超临界流是较迅速且较浅并且超临界流的定义如下。

流的福禄数被定义为：

其中，

Fr＝福禄数

v＝流的速度(m/s)

y＝流的深度(m)

g＝重力加速度(m/s2)。

根据定义，对于处于超临界状态的流，Fr必须大于1。对于具有商业竞争力的操作而言，已经发现有利的是，操作薄流具有大于3的福禄数的处理系统。根据液体处理设备的应用和被处理的液体的性质，可能有益的是，将流设置成具有大于3、大于5或大于10的福禄数。

通过处理福禄数等式，

由于Fr>1，对于流的特定深度y，超临界流的速度一定为：

给出薄流6的特定深度，可以计算所需的流的速度，并且反之亦然。

可能的是，在比如为具有高速流的该系统的系统中，流将是湍流，而不是较低速的层流或过渡流。在将层流和过渡流与湍流进行比较的实验中，湍流的处理性能是更好的。然而，可能使用薄流以更高的效率处理任何类型的流。

一旦薄流6流过门3，处理过程开始。紫外辐射源5可以是多个管状紫外光灯泡，该管状紫外光灯泡具有反射器以将尽可能多的辐射引导到待处理的液体中。管可以横向于流的方向布置。如果提供了足够的管以在除了一个管(或在需要更大的冗余的情况下更多个管)之外的所有管工作时确保足够的剂量，则该布置确保即使一个灯泡发生故障，液体也被充分地处理，并且可以在处理继续的同时被更换该灯泡。为了最大的效率，可以仅在一个或更多个现用灯发生故障时驱动一个或更多个多余灯泡。

图2和图3示出了具有围绕各个紫外光灯泡5的一系列抛物面反射器8的系统(第一灯泡和第一反射器已经从图3被移除，使得门是可见的)。这些反射器8的目的是确保最大量的紫外辐射被引导到液体中。其他反射器构型，比如平的反射器也是可能的，然而已经发现这些反射器构型在引导紫外辐射方面不太有效。紫外光源也可以是LED，LED可以配置成使得辐射基本上沿一个方向发射，从而减少对反射器的需求。无论哪种情况，优选的是，光路尽可能垂直于水表面，使得尽可能多的光进入液体而不会从液体表面反射。

可以使用单个紫外光源来处理液体。当多个源5串联布置时，可以通过打开或关闭各个灯来调节提供给液体的剂量，同时仍然均匀地照射液体。这在紫外光源平行于流地布置的一些现有技术的系统中将是不可能的，因为这会导致不均匀的处理。紫外光源5可以沿着通道以均匀或不均匀的间隔布置。

因为该装置中的流处于均匀的通道中并且光源是来自上面的，因此与光从管状光源辐射到包括相似光源的阵列的通道或圆形容器中的现有技术相比，进入流中的穿透距离更加均匀。

图2和图3中示出的实施方式具有通向设备的液体入口9，液体入口9被设计成使得可以向系统供应具有恒定压力的流。

重要的是，通道和可能反射光的所有表面由能够高效地反射紫外辐射的材料构造，以便优化被液体吸收的辐射。例如，这可以通过使用抛光的铝及其他金属来实现。

敞开的通道4具有平的底表面和竖向侧壁，从而允许若干模块竖向地堆叠以增加处理能力，同时保持与单个装置相同的占地面积。图4和图5中示出了堆叠布置(第一灯泡和第一反射器已经从图5被移除，使得门是可见的)。可能的是，堆叠的通道可以由单个储液器或多个储液器来给送。图4和图5中示出的具体实施方式具有一系列液体入口9，使得可以为该设备提供具有恒定压力的流。

替代典型的金属基片，图6和图7示出了堆叠的实施方式，在该实施方式中，每个通道4的基部的至少一部分由很好地透射紫外光的材料，比如石英片10形成(第一灯泡和第一反射器已经从图7被移除，使得门是可见的)。具有较高紫外光透射率的其他材料也可以是合适的。在该构型中，抛物面反射器8仅设置在顶层上，并且光简单地向上并向下穿过石英层10进入其他通道。来自流的两侧的光穿透有效地将深度减半并且增大了所提供的紫外光剂量。还可以提供具有单个通道的系统，该通道具有带有两组紫外光灯泡的石英基部，其中一组位于通道上方并且另一组位于通道的下方。由于来自两侧的辐射，这同样允许将被处理的液体的深度有效地减半。紫外光灯泡组优选地设置有抛物面反射器，以将辐射朝向被处理的液体引导。

图8和图9示出了与图2和图3中示出的单级系统相似的单级系统，(相同元件被赋予相同的数字)，其中，不同之处在于：使用集液箱11来提供加压液体源，而不是如图2和图3中示出的实施方式中那样将加压液体源提供至入口9(第一灯泡和第一反射器已经从图9被移除，使得槽是可见的)。在实际情况下，这避免了需要提供泵或其他装置以提供加压液体源。

在一些情况下，可能优选的是，使用多个处理周期的再循环或串联的多个处理单元，其中，来自一个液体处理设备的输出可以被给送到另一液体处理设备中。

与现有技术的系统相比，本发明非常简单、便宜、易于操作、具有相对较低的压力损失、提供较高的通过量并且已经表明能够为一些液体、特别是具有低UV光可透性的液体提供优良的处理效率，从而可能允许较低成本的操作。该系统允许独立地调节待处理的液体的流的深度和液体流的速度以适应待处理的液体的特定性质。该系统可以由重力压头或泵送压力驱动，并且可以竖向地堆叠以减少该系统的占地面积。

该系统特别适于处理液体，比如家庭的、商业的、工业的或农业的(包括但不限于园艺或水产业)的经处理的或未经处理的废水。适用的液体的其他示例包括暴雨水、果汁及其他饮料、牛奶及其他奶制品、粘性食物浆或其他食物，以及医疗产品或营养产品。本发明还能够处理液体而不过度照射，这是因为本发明的液压行为具有较低的分散数(dispersion number)。

尽管已经通过描述本发明的实施方式对本发明进行了说明，并且尽管已经对实施方式进行了详细描述，但是本申请人的不意图如此详细地限定或以任何方式限制所附权利要求的范围。另外的优点和改型对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，本发明在其更广义的方面不限于所示出并描述的具体细节、代表性的设备和方法以及说明性示例。因此，在不背离本申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下，可以偏离这些细节。

Claims (43)

1.一种处理液体的方法，包括以下步骤：

i. 形成呈超临界流的所述液体的薄流，所述薄流具有大于3的福禄数；以及

ii. 使用在所述薄流外部的至少一个辐射源来照射所述薄流，

其中，沿着敞开的通道引导所述薄流，所述敞开的通道由底面和侧面包围，使顶面敞开或至少不与液体接触。

2.根据权利要求1所述的处理液体的方法，其中，所述薄流的福禄数大于5。

3.根据权利要求1所述的处理液体的方法，其中，所述薄流的福禄数大于10。

4.一种处理液体的方法，包括以下步骤：

i. 形成呈超临界流的所述液体的薄流，所述薄流具有小于6 mm的深度；以及

ii. 使用在所述薄流外部的至少一个辐射源来照射所述薄流，

其中，沿着敞开的通道引导所述薄流，所述敞开的通道由底面和侧面包围，使顶面敞开或至少不与液体接触。

5.根据权利要求4所述的处理液体的方法，其中，液体的所述薄流具有小于4 mm的深度。

6.根据权利要求4所述的处理液体的方法，其中，液体的所述薄流具有2 mm的深度。

7.根据权利要求4所述的处理液体的方法，其中，液体的所述薄流具有小于2 mm的深度。

8.根据权利要求4所述的处理液体的方法，其中，液体的所述薄流具有1 mm的深度。

9.一种处理液体的方法，包括以下步骤：

i. 形成呈超临界流的所述液体的薄流，所述薄流具有大于0.8 m/s的速度；以及

ii. 使用在所述薄流外部的至少一个辐射源来照射所述薄流，

其中，沿着敞开的通道引导所述薄流，所述敞开的通道由底面和侧面包围，使顶面敞开或至少不与液体接触。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述薄流具有大于1 m/s的速度。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述薄流具有大于2.5 m/s的速度。

12.根据权利要求1-11中的任一项所述的处理液体的方法，其中，所述薄流通过限制来自液体源的所述液体的流动来形成。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述薄流通过所述液体源与所述薄流之间的阻挡件中的一个或更多个孔形成。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述薄流通过闸门或槽形成。

15.根据权利要求14所述的处理液体的方法，其中，所述闸门或槽设置成将所述液体喷射成薄流。

16.根据权利要求14所述的处理液体的方法，其中，所述闸门的高度能够手动地调节。

17.根据权利要求14所述的处理液体的方法，其中，所述闸门的高度能够自动地调节。

18.根据权利要求1-11中的任一项所述的处理液体的方法，其中，照射所述液体的步骤使用一个或更多个紫外辐射源。

19.根据权利要求18所述的处理液体的方法，其中，每个紫外辐射源均呈横向于所述薄流的流动方向的管的形式。

20.根据权利要求1-11中的任一项所述的处理液体的方法，其中，照射所述液体的步骤使用沿着所述通道间隔开布置的多个平行的紫外辐射源。

21.根据权利要求18所述的处理液体的方法，其中，使用一个或更多个反射器以将紫外辐射朝向所述薄流引导。

22.根据权利要求18所述的处理液体的方法，其中，所述紫外辐射源包括发射紫外辐射的一个或更多个发光二极管。

23.根据权利要求1-11中的任一项所述的处理液体的方法，其中，所述液体是食物。

24.根据权利要求23所述的处理液体的方法，其中，所述液体是饮料。

25.根据权利要求1-11中的任一项所述的处理液体的方法，其中，所述液体是废水。

26.根据权利要求1至11中的任一项所述的处理液体的方法，其中，所述液体是暴雨水。

27.根据权利要求1至11中的任一项所述的处理液体的方法，其中，所述液体是药物或营养产品。

28.一种用于处理液体的设备，包括：

i. 液体源；

ii. 敞开的通道，所述敞开的通道由底面和侧面包围，使顶面敞开或至少不与液体接触；

iii. 从所述液体源至所述敞开的通道的槽，所述槽具有小于等于6 mm的高度，所述槽构造成产生沿着所述通道的具有超临界流的液体的薄流；以及

iv. 至少一个辐射源，所述至少一个辐射源在所述薄流外部且用以照射所述薄流。

29.根据权利要求28所述的用于处理液体的设备，其中，所述槽通过闸门形成。

30.根据权利要求29所述的处理液体的设备，其中，所述闸门的高度能够手动地调节。

31.根据权利要求29所述的处理液体的设备，其中，所述闸门的高度能够自动地调节。

32.根据权利要求28至31中的任一项所述的用于处理液体的设备，其中，所述液体源是集液箱。

33.根据权利要求28至31中的任一项所述的用于处理液体的设备，其中，所述液体源由泵加压。

34.根据权利要求28至31中的任一项所述的用于处理液体的设备，包括一个或更多个紫外辐射源。

35.根据权利要求34所述的用于处理液体的设备，其中，每个紫外辐射源均呈延伸跨过所述敞开的通道的管的形式。

36.根据权利要求35所述的用于处理液体的设备，包括沿着所述通道间隔开布置的多个紫外辐射源。

37.根据权利要求34所述的用于处理液体的设备，其中，使用一个或更多个反射器以将紫外辐射朝向所述薄流引导。

38.根据权利要求34所述的用于处理液体的设备，其中，所述紫外辐射源包括发射紫外辐射的一个或更多个发光二极管。

39.根据权利要求28至31中的任一项所述的设备，其中，所述通道的基部的至少一部分由具有高紫外光透射率的材料形成，其中紫外光源定位于下面以从下方照射所述薄流。

40.一种处理系统，包括以堆叠布置的方式布置的多个根据权利要求28至31中的任一项所述的设备。

41.根据权利要求40所述的处理系统，其中，一个或更多个通道的基部的至少一部分由具有高紫外光透射率的材料形成，其中紫外光源中的至少一些紫外光源定位于下面以从下方照射所述薄流。

42.根据权利要求41所述的处理系统，其中，所述紫外光源中的至少一些紫外光源设置成照射这些紫外光源的上方和下方的薄流。

43.根据权利要求41所述的处理系统，其中，所述具有高紫外光透射率的材料是石英。

Images