专利名称：饮用水紫外线消毒系统与方法
本非临时性发明专利申请要求一个或多个在先提交的同时待审的非临时性申请的利益；对每份先前申请的参考，用这些申请的关系及申请号(系列码/顺序号)予以确定本申请是09/630245号申请的后续部分，其在此完整引入作为参考。
背景技术：
(1)发明领域本发明总体上涉及一种用于紫外线消毒的系统及方法，更具体地说，涉及用于饮用水紫外线消毒的系统及方法。
(2)现有技术描述紫外线作用机理利用紫外线(UV)进行水消毒处理在本领域中是众周所知的。位于杀菌波长的紫外线改变细胞中的遗传(DNA)物质，使得细菌、病毒、霉菌、藻类和其它微生物不能再繁殖。这些微生物被认为死了，并消除了由它们引起疾病的危险。水流经消毒系统中的紫外线灯时，这些微生物会受到致命剂量的紫外线能照射。紫外线剂量是以紫外线强度乘以在紫外线灯组中曝露时间的乘积度量的。微生物学家已经确定，破坏水中病原体及指示生物所需的紫外线能的有效剂量为约34,000毫瓦-秒/平方厘米。典型现有技术的消毒系统及设备发射的紫外线在约254钠米处，其可穿透微生物外层细胞膜、通过细胞体、到达DNA并改变微生物的遗传物质，通过使其丧失繁殖能力破坏它，而无需化学品。
紫外线划分为三个波长范围UV-C，从约200纳米至约280纳米；UV-B，从约280纳米至约315纳米；以及UV-A，从约315纳米至约400纳米。一般而言，紫外线，具体地说，UV-C光是“杀菌的”，即它能够使细菌、病毒和其它病原体的DNA失去活性，并因此破坏它们增殖和引起疾病的能力，从而有效地导致微生物的不育。准确地说，UV“C”光通过在DNA中某些相邻基之间形成共价键，产生对微生物核酸的破坏作用。这些键的形成，阻止了DNA密码子用于复制的正确解读，从而该生物体既不能产生生命过程所必需的分子，也不能进行繁殖。事实上，当生物体不能产生这些必需的分子或不能复制时，它就死了。波长在大约250至大约260纳米之间的紫外线提供最强的杀菌效力。虽然对紫外线的敏感性不同，但曝露于大约20至大约34毫瓦-秒/平方厘米的紫外线能，足以使约99％的病原体失去活性。
饮用水标准的规定曝露于病原体并不一定会导致疾病；饮用污染水是否会产生疾病，取决于摄入的病原体的类型和量以及这种水饮用者的健康(营养及免疫)状况。对包括病原体种类及数量在内的某些变量进行研究之后，世界卫生组织(WHO)确定了容许的水消毒系统所必须满足的性能标准。该标准要求，容许的水消毒系统必须能够处理每100毫升水中含有100,000CFUs(菌落形成单位)大肠杆菌(E.coli)的污染水，并产生每100毫升中含有低于一个CFU的出水。
美国环保署(EPA)标准，如在国家基本饮用水规定(NationalPrimary Drinking Water Regulations，NPDWR)中所列，对某些细菌、原生动物及病毒的水平提出了具体要求。蓝氏贾第鞭毛虫(Giardialamblia)，一种原生动物，和所有病毒都必须是99.9％杀死或失活的。异养微生物不能超过每毫升500个菌落形成单位(CFU)。一个月内不超过5.0％的样品能够完全呈大肠菌阳性，且没有排泄物大肠菌存在。排泄物大肠菌和大肠杆菌是细菌，它们的存在表明水可能受到了人或动物粪便的污染。这些粪便中的微生物可能导致腹泻、痉挛、恶心、头痛等症状。
现有技术典型地，通过紫外线曝露对水进行消毒的现有技术设备或系统，通常采用嵌在石英套筒中且悬置于被处理的水中的标准紫外线光源或灯。采用紫外线进行水消毒的优点包括下列只要根据给定的进水及流速，使用并适当布置适当数量的灯，无需使用化学品，如氯，来确保有效的水消毒；由于消毒过程中不需要化学品，因而不需要存储和/或搬运有毒化学品；不需要加热或冷却来确保消毒效果；因为可在水流经系统时对其进行处理，所以不需要蓄水箱或水池；过程中不浪费水；被处理水的pH值、化学成份或电阻系数不变；经紫外线照射消毒后，所有水生细菌和病毒的大约至少99.99％均被杀死；因而提高了使用该系统的安全性及其效能。
如前所述，现有技术的紫外线水处理系统杀灭和除去未处理、受污染水源中的微生物及其它物质，并产生清洁、安全的饮用水。WaterHealth International的系统所采用的核心技术包括已获专利的非浸没式紫外光。此技术由WHI要求保护，是最新且经过检测的创新，由加州大学管理的美国能源部首要的国际知名实验室—劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)开发。此现有技术的系统产生的紫外线剂量可达120mJ/cm2，这是NSF国际要求38mJ/cm2的三倍以上，超过了世界卫生组织和美国环保署水质标准，可有效处理饮用水中的细菌、病毒和隐胞子虫。此外，在两个不同实验室进行的最新研究表明，10mJ/cm2或更小的紫外线剂量可使贾第鞭毛虫按4对数降低。根据此项研究，达到120mJ/cm2的紫外线剂量大大超过了使贾第鞭毛虫失活所需的剂量。WaterHealth International的系统所包括的其它组分可有效地处理一些特定问题，如混浊、淤泥、味道和各种化学品。
现有技术中使用的紫外光源是典型地低压汞灯，只要系统中包括适当数量和配置的灯，即可有效地清除水中危险且致病的病毒与细菌，包括肠内原生动物，如隐胞子虫、贾第鞭毛虫及大肠杆菌。
由于极冷或极热会影响该紫外线系统的性能，现有技术的紫外线消毒剂系统在水温处于大约华氏35度至大约110度之间时效果最佳。室温典型地在这个范围内。
在紫外线水消毒系统的申请中，包括饮料业、污水处理和表面处理。举例说明，热装饮料、冷装啤酒及其它敏感性饮料均易受到容器内衬材料所带污染物的影响。霉菌是特别值得注意的，因为包装的顶部空间常常含有少量的氧气。中压紫外线可钝化霉菌孢子从而避免出现此类问题，包括生产及储存过程中会引起变色、味道异常或发出怪气味并缩短存放期限等饮料污染。紫外线消毒系统通过去除问题微生物而没有添加化学品及加热，解决了这些问题。采用紫外线进行城市用水消毒，避免了与化学品的贮存、运输和使用有关的问题以及与之有关的法规。紫外线有助于提高产品的保存期限，并允许加工者减小清洗水中的化学添加剂，而不会降低消毒的高水平。紫外线提供自备供水回路的非化学法微生物控制，而不会改变食物的味道、颜色或气味。对环境无害的紫外线消毒方法，是极少数不受法规限制、消费者/环保团体关注或高运行成本牵累的水处理方法之一。
现有技术有关的问题一般而言，紫外线消毒是日常使用的饮用水消毒的安全可靠的方法，特别是得到其速度较快、成本低廉、无味且无嗅的形成的处理水。紫外线是世界卫生组织认可的饮用水消毒的方法(Guidelines forDrinking Water Quality，第1卷，世界卫生组织，日内瓦，瑞士，1993，第135页)。但是，紫外线消毒一般不建议用于水的长期储存。虽然紫外线消毒会把病原体水平降低到容许水平，但仍有极微量的微生物污染物不能通过紫外线照射来杀灭。一旦紫外线照射结束，消毒过程中存活的微生物可能继续复制。因而水及其它液体的长期储存需要持续消毒系统。保持水长期处于容许纯度的最常用方法是通过添加活性氯。遗憾的是，不断证实了，化学消毒中的有机化学副产品，特别是加氯处理的副产品如二氧杂环乙烷，对人体属致癌物质及(或)有毒物质。因此，在需要或要求液体具有一定的化学纯度时，化学消毒并不是可行的方案。另外，尽管有这种毒理方面的证据，EPA(美国环保署)最近还是被迫放松了对某些已知致癌氯化副产品如氯仿的限制。另外，其它化学品，如硝酸根离子，已表明对儿童发展有不良影响。
鉴于有机及无机化学品毒性方面的资料不断丰富以及水纯净度规定的放松，有意保持健康的人们一直关注着化学上纯净的水的供应。这种水的产生，需要过滤手段以去除其中的化学品。遗憾的是，以过滤为基础的系统需要经常更换以及清理过滤器。另外，这种水的储存要求系统长期保持水的无菌状态。因而需要一种能够方便地去除或消除饮用水中的有机化合物，并在水的存储期内保持水的无菌状态的系统。
当前紫外线消毒系统采用的是浸没式紫外线系统。不利的是，浸没式紫外线系统需要清理和保养系统的外壳，以保护几乎所有现有技术系统中使用的紫外线灯或光源。清洁工作可能成为一项耗时的工作，特别是采用多灯低压系统时更是如此。工作时，紫外线灯及其周围和石英套筒悬挂在待处理的水中，水中的矿物质和污染物会沉淀到石英套筒上，使灯箱表面脏污。这种脏污会降低紫外线灯的效力，因为脏污会妨碍紫外线射入水中。为节省时间，防止石英套筒脏污，可配备一种既可手动又可自动操作的清洁装置，像使用擦具在套筒上来回擦以去除会挡住紫外线灯发出的光线的沉淀物一样。这提供改进的性能，并缩短维护时间，但只是在低水质处。每种情况下，嵌在石英套筒中的紫外线灯必须至少每月拆下一次进行清洁，视给定系统的具体情况及其流入液和流速而定。清洁时需要将系统临时关闭或转向其它紫外线灯，因此系统关闭会降低处理能力和/或增加运行成本。另外一个不利之处是，紫外线灯容易破碎，而且如果采用浸没式，则可能污染周围的水。商业上，只有WaterHealth公司可能会无论如何建议使用非浸没式灯用于紫外线系统，但在广告材料中明确限定只适用于且唯一适用于不需要进行高度净化的场合，如已进行过净化的饮用水，而不适用于地表水、含水层水或其它未经净化的水处理场合。
这些现有技术的系统在接受池及反应容器中不采用光学部件，也不采用反射材料或光催化材料。
因此，仍然需要一种处理液体用紫外线消毒系统，它的维护时间和成本降低，在给定消毒水平下流速增大，设备、安装和系统的总体成本更低，设备破裂所造成的液体污染降低，并且能够在较长的储存期内保持液体的无菌状态。另外，仍然需要有以较少维护能够清除或降解液体中有机化合物和其它化学污染物的水净化系统。
发明内容
本发明涉及一种用于对液体，特别是水进行处理的紫外线消毒系统及方法，其中该紫外线光源与现有技术系统及设备相比，需要较少的维护和成本，而对于给定流入液和流速，可达到至少同样的消毒水平。
本发明的一个目的是提供一种用于处理液体的紫外线消毒系统，它配置并安装至少一个不浸没在待消毒液体中的紫外线光源或灯以有效地起作用。紫外线光源布置在待消毒液体的外部，通过至少一个紫外线剂量区进行照射，其中紫外线射入该区。
本发明的另一个目的包括在至少两个主要结构，垂直立管结构和非立管式存贮槽结构，中出现的紫外线光源。在垂直立管结构中，紫外线光源布置在待处理液体的上方，并向下投射一个紫外线剂量区并射入待处理液体中，且液体向上朝紫外线光源方向流动。可选地或在与垂直立管结构的连接组合中，紫外线光源可位于非立管式存贮槽中，其中紫外线光源布置在储液槽或其它待处理容器上方，并向下投射一个紫外线剂量区并射入待处理液体中，且液体处于基本静止或不动状态。
本发明还有一个目的是提供一个紫外线剂量区，其包括至少一个区，更优选有四个区，其中一个区包含一个介于紫外线光源和待处理液体之间的界面区，另一个区包含一个介于液体内的反应区。反应区可由一个具有催化性能以增强目标反应的界面板形成。
本发明进一步涉及一种处理液体的方法，此方法用至少一个产生至少一个剂量区的紫外线光源投射的紫外线对这些液体进行消毒，其中所述紫外线光源布置在液体的外部。
因此，本发明的一个方面是提供一种用于对液体进行消毒的系统和方法，其至少包括一个布置在待处理液体外部的紫外线光源，且该至少一个紫外线光源产生至少一个紫外线剂量区，用于对液体进行消毒，其中该液体为水，优选经过事先处理进行杀菌和/或消毒的水。
本发明另一个方面是提供一种用于对液体进行消毒和净化的系统和方法，其至少包括一个布置在待处理液体外部的紫外线光源，且该至少一个紫外线光源产生四个紫外线剂量区，用于对液体进行消毒，其中一个区位于界面区，一个区位于介于紫外线光源和待处理液体之间的反应区。反应区可由一个具有催化性能以增强目标反应的界面板形成。
本发明还有一个方面是提供一种用于对液体进行消毒的系统和方法，其至少包括一个布置在待处理的液体外部的紫外线光源，且该至少一个紫外线光源产生至少一个紫外线剂量区，用于对液体进行消毒，其中该至少一个紫外线光源为中高强度紫外线光源或光谱校准灯。对于本领域技术人员而言，在对照附图阅读下面对本发明优选实施方案的描述之后，本发明的这些及其它方面将是显而易见的。
附图简要说明
图1A为现有技术侧视图的示意图。
图1B为其它现有技术侧视图的示意图。
图2为依据本发明所述而构造的垂直立管结构中的紫外线消毒系统侧视图。
图3为图2所示实施方案的分解侧视图。
图4所示为本发明另一种实施方案的紫外线消毒系统示意图。
图5为图4所示实施方案的分解侧视图。
图6为在垂直立管结构中产生的紫外线剂量区示意图。
图7所示为本发明另一种实施方案中产生的紫外线剂量区示意图。
优选实施方案的详细描述在以下描述中，同类参考符号用于标明几个视图中同类或相应的部分。还是在以下描述中，需要了解术语如“向前”、“向后”、“前面”、“后面”、“右”、“左”、“向上”、“向下”等为方便用语，不应视为限定性术语。
现在来整体上参阅附图，示意图旨在描述本发明的优选实施方案，并非以此来限定本发明。图1A所示为现有技术液体紫外线消毒系统，其包括一个待处理液体在其周围流动的浸没式紫外线灯结构PA16。液体通过入口PA12流入，在紫外线灯PA16周围流动并通过出口PA14流出该系统。图1B所示为现有技术紫外线液体消毒系统，其包括一个被基本静止或不流动的液体PA24围绕的浸没式紫外线灯结构PA20。如上述背景部分所述，现有技术系统的缺点包括，高维护耗时和成本、对于给定消毒水平的低流速、总体设备、安装及系统费用高以及由设备破裂而造成液体污染的危险性高。
与现有技术相对比，本发明涉及一种用于处理液体的紫外线消毒系统和方法，其包括利用至少一个不浸没在液体中的紫外线光源或灯的结构和设计有效地起作用。有利地是，本发明的非浸没式结构防止了与灯和/或灯箱破裂及灯箱脏污有关的问题。另外，本发明的非浸没式结构还防止了与液体的极端温度有关的问题。荧光灯，包括紫外线灯，在低温下会损失大量的输出。因而，将灯与待处理液体分隔开的非浸没式系统，允许灯的温度保持在较理想的温度，也不需要冷却或加热液体。因而，此系统可对极端环境如冷冻机、冷却器、热水器及其类似物进行消毒。
垂直立管结构(VRC)依据本发明的一个优选实施方案，紫外线光源可存在于垂直立管结构中，如在图2中总体表示为100，其中液体流出蓄水池或存贮容器110，通过管道或出口120流入垂直立管结构(VRC)200，从其中通过之后从管道或出口140排出，用于消费或最终使用。优选地，液体是已经消毒和净化的预处理水，其中很可能含有较低的总溶解固体量。此外，如图3中总体以200所示的VRC包括至少一个紫外线光源310。该紫外线光源310是灯组件的一部分，图5中总体表示为300。该灯组件300由罩住紫外线光源310的灯箱320、紫外线330、至少一个光学元件340、射出灯箱的紫外线输出350构成。参阅图3，该紫外线输出350在待处理液体210上方射出灯箱，该液体从存贮容器或蓄水池110的出水管120流入VRC，并被向上强制通过VRC 200的内管220，流向紫外线输出350，该紫外线输出向下射向液体表面230并射入待处理液体210，该液体再向上朝紫外线光源310方向流动。至少一个界面板240可安装在内管220顶部，这样增加了液体210对紫外线输出350的曝露时间。该至少一个界面板240含有一个孔或一组孔250，这使液体向上流动通过内管220，在管道顶部流出。该液体然后横穿界面板240的上表面260，流向界面板边270，接着在此落入VRC的外室280。通过将内管220外表面与外管295内表面牢固连接的底板290，可以防止该液体回流入内管220。然后该液体通过管道或出口140流出VRC200。紫外线330可从包括光学元件的紫外线光源或灯系统310向下投射。这些光学元件可包括，但不限定于反射体、快门、透镜、分光镜、调焦器、反光镜、刚性或柔性光导、均化器或混合棒、歧管或其它联接器、滤光镜、格栅、衍射器、色轮及其类似物。这些光学元件属灯系统内部构件，且布置在紫外线光源或灯310与灯组件300的紫外线输出350之间，从而聚焦、导向和控制光线输出350，它照射液体210并杀灭液体210中存在的任何微生物。紫外线输出350照射，且也可以透射液体210。从液体中透射并射到VRC构件反射性内表面(未示出)的紫外线输出350，被反射入液体，在液体中它可射中微生物。紫外线输出350由VRC构件的反射性内表面反射入液体，增强了VRC系统200的杀菌能力。
另外，界面板可具有催化性能，这样在界面板附近可催化某些反应。例如，TiO2可被混入由玻璃或其它适当材料制成的界面板。当这种板被催化剂活化波长照射时，脂肪酸和其它有机化学品被化学还原，降解为更小的挥发性产品，如甲烷、乙烷等。此外，在此类系统中硝酸根离子被还原为元素氮。因而，将TiO2混入界面板中，再加上紫外线照射，降低了两种潜在的人体毒素一有机化学品及硝酸根离子的含量。
另外，界面板可促使紊流或造成液体沿非平面表面、阶梯表面、下滑表面或其它类似物泻流。液体混浊时，促使紊流是特别有利的。混浊，即沉淀物被搅起而使水变混浊的这种状态，会影响紫外线能量的传输，并降低紫外线消毒系统的消毒功效。因而，紊流通过促使颗粒旋转，使颗粒的所有方面均曝露于紫外线。另外，系统的光催化性能通过降解化合物或导致混浊的颗粒，从而降低混浊度。此外，在混浊状态下运行时，系统表面中的反射面会增强系统的效力，因为紫外线可通过颗粒的旋转，照射到颗粒的各个表面，从而克服颗粒的不透明性问题。增强混浊状态下系统性能的另一个方面是系统的高紫外线强度。高紫外线强度与低强度系统相比，可更容易地补偿紊流的波动。因而，优选实施方案具有几项增强混浊状态下系统性能的特性。
在水含有较高的铁或镁含量、混浊和/或含有有机杂质的情况下，一般需要在水进入紫外线消毒阶段之前进行预处理，因为浸没于待处理水中的嵌在石英壳中的浸没式紫外线灯上的沉淀物，会影响紫外线的传输，从而降低紫外线剂量并致使该系统失效。现有技术典型地采用紫外线净化，并结合炭过滤、反渗透以及结合某些化学品来减少紫外线灯周围的石英套筒清洗之间的污垢。因而，优选实施方案的另一个优点是，混浊度降低不是系统充分发挥性能所必需的，从而系统消除了为降低混浊度对液体进行费用昂贵的预处理的需要。
有利的是，从VRC设备流出整套系统的消毒、净化水不含任何微生物，无需添加会增大水中总溶解固体量的化学品或其它添加剂。因而，依据本发明所述的消毒方法不改变现存水的味道、pH值、电阻系数和其它特性。
依据本发明所述、采用VRC的紫外线消毒系统及方法设计方面的另一个因素，涉及采用两个主要结构，包括非浸没式紫外线光源系统及水压系统。该光源系统包括围绕和支撑紫外线光源或灯的灯箱，它至少包含一个光学元件，其布置和安装用于将紫外线导向并通过输出，从而将紫外线射向液体，对液体进行消毒。
该水压系统包括一个水压管和泵系统，其用于使液体向上流经该管，流向光源。本发明包括使用水压系统，它包括一个输送装置或泵系统以及至少一个界面板。该水压系统至少起着三种作用它将流入的水引至界面并使水流向至少一个界面板，并将处理过的进水向蓄水池或水系排放。该VRC系统可包括带有用于指示紫外线灯出现故障的监视和指示系统的快接灯具和灯箱。该VRC系统中的每个立管均可配备单独的专用灯具和光学系统，相邻灯具之间有重叠，以避免出现死区。该VRC系统中的每个立管还可配备一个阀门，出现故障时它可关闭该立管。
非立管式结构可选地或与VRC系统相结合，非VRC结构可有利地建造和配置，以用非浸没式紫外线光源对蓄水池、存贮容器或其它不流动的储水设施进行消毒，无论水的停留时间长短如何。优选地，液体是已经消毒和净化的预处理水，其中很可能含有较少的总溶解固体。这种预处理可在含有催化板的VRC系统中进行，除了对水进行消毒以外，还降低水中的有机和无机污染物含量。如图4及图5所示，总体上参考400的本发明是非立管式结构(NRC)，其包括至少一个紫外线光源310。该紫外线光源310是灯组件的一部分，图5中总体表示为300。灯组件300由罩住紫外线光源310的灯箱320、紫外线330、至少一个光学元件340、射出灯箱的紫外线输出350构成。另外，光源与一个定时器连接，它可在预定的时间，如在光源被开启或打开对整个蓄水池或容器进行消毒所需的足够时间之后，以及光源被开启或打开一定时间之后，开启或关闭光源。参阅图4，紫外线输出350在基本静止的待处理液体212上方射出灯箱320，该液体贮存在存贮容器或蓄水池112中，不被强制向上流向紫外线输出350，该紫外线输出向下射向液体表面232并射入待处理液体212，该液体212同样也不被强制向紫外线光源310方向流动。紫外线输出350可从包括上述光学元件的紫外线光源或灯系统300向下投射。光学元件可包括，但不限定于反射体、快门、透镜、分光镜、调焦器、反光镜、刚性或柔性光导、均化器或混合棒、歧管或其它联接器、滤光镜、格栅、衍射器、色轮及其类似物。这些光学元件属灯系统内部构件，且布置在紫外线光源或灯310与灯系统300的紫外线输出350之间，从而聚焦、导向和控制光线输出350，它照射液体212并杀灭液体212中存在的任何微生物。紫外线输出350照射并且也可以穿透液体212。从液体中透射并射到存贮槽或容器112反射性内表面的紫外线输出350，被反射入液体，在液体中它可击中微生物。紫外线输出350由存贮槽或容器112的反射性内表面反射入液体，增强了NRC系统400的杀菌能力。
有利的是，两种系统内部均建立了数个紫外线剂量区。在VRC系统中，如在图3和图5中明显显示的，紫外线光源310被布置在位于待处理液体上方的紫外线光源系统300中，如上所述其中包含光学元件，向下朝待处理液体方向投射紫外线剂量区并射入其中，且液体从进水点120沿内管220垂直向上，朝紫外线光源310的方向流动，然后通过界面板240从内管220中流出。该至少一个紫外线光源被布置在待处理液体上方，并向下朝待处理液体投射紫外线输出350并射入其中，且液体向上朝紫外线光源方向流动。VRC系统内确定数个紫外线剂量区，在图6中总体表示为500。第一个区是光源系统出口紫外线剂量区510，其出现于光源系统与空气界面。下一个区是空气紫外线剂量区520，其出现在紫外线光源正下方及水与至少一个界面区或板240的正上方。下一个区是蒸汽区525，其出现在水面的正上方。下一个区是界面区紫外线剂量区530，其出现在水与至少一个界面区或界面板240的交界处。该至少一个界面板用于提供一个反应区，对流过该板的液体进行消毒，并提供用于平衡pH值、影响出水的化学性质、提供催化剂及其类似情况的额外处理措施。例如，可将TiO2混入界面板以还原离子和化合物。准确地说，TiO2用于将硝酸盐和亚硝酸盐还原为元素氮。这种处理正是所希望的，因为亚硝酸盐与儿童发育缺陷密切相关。另外，混入玻璃或其它适当材料中且被催化活化波长照射的TiO2，会降解玻璃外部邻近的脂肪酸及其它有机化合物。因而这种板可用于降解水中含有的有机污染物。另外，催化活化波长可催化各种反应，采用这种波长与一种或多种化学催化剂结合使用，可产生许多可能的催化组合，用于催化无数所需的反应。光催化剂可包括光敏半导体，如氧化钛；TiO2(光激活波长；不超过388纳米)，氧化钨；WO2(光激活波长；不超过388纳米)，氧化锌；ZnO(光激活波长；不超过388纳米)、硫化锌；ZnS(光激活波长；不超过344纳米)和氧化锡；SnO2(光激活波长；不超过326纳米)。除这些催化剂之外，还有其它催化剂，如PtTiO2。
考虑到激活动力很高，该催化剂经久耐用，且人类应用的安全性已经过认证，由于TiO2已长期安全地应用于化妆品及食品工业，TiO2可优选地作为光催化剂。另外，界面板可以是生物过滤器，含有与液体中所含物质反应的酶或细菌。
图6中所示最后一个区是浸没式紫外线剂量区540，其可产生一个可变的紫外线剂量区，距离紫外线光源较远处效力下降。
对于一般静态非立管式结构，这些区与VRC系统所述区不同。在一般静态非立管式系统中，图7中总体表示为600，第一个区是光源系统出口紫外线剂量区610，其出现于光源系统与空气界面。下一个区是空气紫外线剂量区620，其出现在紫外线光源正下方及水面230的正上方。下一个区是蒸汽区630，其出现在水面的正上方。最后一个区是浸没式紫外线剂量区640，其产生了一个可变的紫外线剂量区，距离紫外线光源较远处效力下降。
在总体考虑紫外线光源及其结构时，本发明的优选实施方案包括至少一个位于紫外线光源与紫外线光源系统输出点之间的光学元件。有利的是，光学元件的使用使得系统可针对任何给定的紫外线光源或灯，使紫外线在输出处的强度、聚焦及控制达到最佳化。此外，光学元件，包括但不限定于反射体、快门、透镜、分光镜、反光镜、刚性及柔性光导、均化器或混合棒、歧管及其它联接器、滤光镜、色轮及其类似物，可组合使用以获得所需的控制和输出，如在美国专利6,027,237、5,917,986、5,911,020、5,892,867、5,862,277、5,857,041、5,832,151、5,790,725、5,790,723、5,751,870、5,708,737、5,706,376、5,682,448、5,661,828、5,559,911、D417,920以及同属于本发明受让人的同时待审的申请09/523,609和09/587,678中所述，它们在此完整引入作为参考。另外，也可使用诸如格栅、分色滤光器、调焦器、梯度透镜及轴外反射器的光学元件。
至于光导，它们可以是由丙烯酸、玻璃、液相芯、空心、芯-护套及其组合构成的光纤线路。
至于透镜，预想了数种实施方案。成像透镜如抛物线透镜及非成像透镜如梯度透镜均可采用。梯度透镜通过采光口收集光线，再聚焦在一个比采光口更小的面积上。这种集中是通过以连续或半连续的形式，沿光传导轴改变透镜的折射系数，使光线经折射被“灌进”聚焦面积而实现的。梯度透镜技术的实例之一是Solaria公司制造的Gradium透镜。另一种方法是使用一种环面反射器，如在美国专利5,836,667中所述。在此实施方案中，紫外线辐射源如弧光灯位于偏离环面反射凹面光轴的一个点上。凹面一次反射器将来自光源的辐射聚焦在偏离光轴的轴外成像点。与球形反射表面相比，通过基本上减小了因偏轴几何关系所产生的偏差，采用环形反射表面增强了向小目标如光纤的聚焦效率。第二凹面反射体与第一反射体相对，以进一步增强小目标所收集的光通量。
另外，一个灯可用一个以上反射体。例如，在优选实施方案中可采用双反射体或三个或更多反射体，如在美国专利5,706,376和5,862,277中所教导的那样。这些反射体也可以是分光反射体和/或级联反射体。
一般来说，发射光学元件为紫外线发射元件，反射光学元件为紫外线反射元件。另外，任意一种光学元件，包括灯箱，均可由丙烯酸或类似材料制造，当曝露于紫外线一段时间这些材料便会退化。这些元件的性能下降到无法接受的程度时，可以更换。
值得注意的是，依据本发明所述的系统结构中可采用包括低压、中压、高压和超高压灯在内任意数量的灯，具体数量视流经系统的液体即流入物及流速而定，这些灯可由各种材料制造，例如非常普遍的汞(Hg)灯。此外，到目前为止，高压及超高压灯尚未在任何现有技术的系统中进入商业应用阶段，这主要是由于它们的能效低，现有技术的设计和结构方案缺乏包括高压紫外线灯的能力，本发明的有利之处在于适于采用中压至高压至超高压灯，所有这些灯均可为金属灯、卤素灯及组合金属卤化物灯。另外，光谱校准灯、无电极灯、闪光灯及脉冲灯均可使用。
具体地说，依据本发明所述的一个实施方案采用了一种笔型光谱校准灯。这些灯结构紧凑，可产生较窄、较强的光。其平均光强稳定且具有可重现性。这些灯与其它高压灯相比，寿命较长。这种类型的汞(氩)灯一般对温度不敏感，只需二分钟预热使汞蒸汽能控制放电，然后等30分钟即达到完全稳定。
依据本发明所述的优选实施方案中采用了一种汞(氩)紫外线灯，目前市场上有售，由ORIEL仪器公司提供。ORIEL汞(氩)灯6035型可发出波长为254纳米的紫外线。使用直流电源，工作电流为15毫安时，距光源25厘米处该灯发出254纳米辐射的光强为74mW/cm2。
依据本发明所述的系统采用紫外线灯，配置在液体或水流上方发挥作用，并不象设计用于所有水处理应用的所有现有技术的系统一样浸没于液流中。采用这种系统，处理给定流入物或流速所需灯的数量可根据可能的许多因素而减少，这是实际应用中最大的优点。另外，由于灯不浸没于待消毒液体中，故不易受到脏污影响。另外，本发明的设计可使水中的热量大为减少。此外，保养和维修大为简化。另外，在依据本发明一个优选实施方案结构的垂直立管结构中，可包括许多垂直布置的圆柱形管的反应器设计，包括一套水压系统，其中含有泵设备，且泵功率巨大。此外，本发明是一种用于液体消毒系统中的光学紫外线光源系统。因而，用于确定能效的传统数学模型对于本发明来说是不适当且不可行的。这样，如果采用与紫外线光源有关的光学元件，采用中压至超高压紫外线灯并采用至少一个位于待处理水外部的紫外线剂量区，则本发明便提出了一种现有技术或预测液体消毒及其流速的数学模型中从未教导或提出的，设计、建造和操作一种紫外线液体消毒系统的革命性方法。
依据本发明所述的另一个实施方案中采用了中压至高压紫外线灯，更优选高压紫外线灯。
在依据本发明所述的一个实施方案中，紫外线光源为Fusion整流(RF)型紫外线灯，目前市场有售，由Fusion UV Systems公司提供。依据本发明所述，该熔合(fusion)灯是平面垂直立管系统结构的优选灯，用于提供该系统内待处理液体的快速流动。这种熔合灯具有与低压灯类似的光谱，有非常强的UVB和UVC量和输出，但属高功率灯，功率为约200瓦/厘米。重要的是，如前所述，尚无现有技术教导或提出采用高压灯，事实上，包括由George Tchobanoglous博士开发的那些的所有用于系统设计和操作的标准方案，均采用低压灯。
高功率灯系统的另一个优点是，当发射强度足够时超紫外线波长可破坏或以其它方式钝化微生物。有几种可能的作用机理，但一般来说，是大剂量光线改变了细胞成分，如蛋白质、细胞膜及其类似物，并钝化微生物。
本发明有利地包括上述所有特征，特别是因为紫外线是与液流分开布置的，并且包含配备了光学元件的光传播系统。如果不采用光学元件与紫外线光学相结合的方法，可能无法对光强进行有效地聚焦、导向和控制，以达到卓有成效的消毒效果，因为水面及水面以下的紫外线不会达到足以杀灭微生物的剂量。
然而采用垂直立管结构可产生更为令人惊奇的效果，这是由于在待处理液体被水压系统向包括紫外线光源或灯及光学元件在内的紫外线光源系统方向推进时，会产生多个紫外线剂量区。
本发明可使系统显著简化，运行成本可能显著降低，能够处理大量的水，也可处理较小量的水，如个人或家庭使用。图2中可很清楚地看到，对于家用系统，总体表示为200的单一垂直立管紫外线光源系统可构造和配置以安装在大小与居住条件相适应的蓄水装置上，可在大约20至大约100加仑之间。这种系统中，紫外线光源310布置在位于待处理液体上方的紫外线光源系统300中，如上所述其中包含光学元件，并向下朝待处理液体方向投射紫外线剂量区并射入其中，且液体从进水点120垂直朝紫外线光源的方向流动，然后从出水点140流出。该至少一个紫外线光源布置在待处理液体上方，向下朝待处理液体透射紫外线输出350并射入其中，且该液体向上朝紫外线光源方向流动。这些系统内部建立了数个紫外线剂量区。VRC系统内建立数个紫外线剂量区，在图6中总体表示为500。第一个区是光源系统出口紫外线剂量区510，其出现于光源系统与空气界面。下一个区是空气/蒸汽紫外线剂量区520，其出现在紫外线光源正下方及水与至少一个界面板240的正上方。下一个区是界面板紫外线剂量区530，其出现在水与至少一个界面板240的交界处。该至少一个界面板用于在液体上方提供一个反应区，用于紫外线消毒，并提供用于平衡pH值、影响出水的化学性质、提供催化剂及其类似情况的额外处理措施。最后一个区是浸没式紫外线剂量区540，其产生了一个可变的紫外线剂量区，距离紫外线光源较远处效力下降。
图4是本发明的另一个实施方案侧视图的示意图，其与蓄液池相连接，整体表示为400。值得注意的是，这种蓄液池紫外线消毒光源可与VRC系统有利的结合，以确保并保证流出整个系统的水的纯净度。然而，特别是蓄水池或存贮容器中所含的水已事先经过预处理或净化的情况下，可能不再需要补充VRC系统，因为构造和配置用于对蓄水池或容器中的静止液体进行消毒的非VRC系统，可以合理并充分地保持水的无菌状态和/或纯净度。
此外，蓄水池系统的第一个方面是整体表示为110的储液槽。这种系统中，紫外线光源310布置在位于蓄水池110中储存液体上方的紫外线光源系统300中，如上所述其中包含光学元件，并向下朝待预处理液体方向投射一个紫外线剂量区并射入其中。该蓄水池液体可以经过事先处理/净化或没有。如上所述，在蓄水池或存贮容器中所含的水已在先前步骤中经过预处理或净化的情况下，可能不再需要加入VRC系统，这是由于构造和配置用于对蓄水池或容器中的静止液体进行消毒的非VRC系统，可以充分地保持水的微生物纯净度。
该至少一个紫外线组件被布置在待消毒或要保持消毒状态的水上方，向下朝水中投射紫外线输出350并射入水中。再者，蓄水池系统中采用紫外线光源系统，以防止蓄水池中微生物积聚。为配套必须保证纯净度的应用场合的系统，总体表示为200的单一垂直立管紫外线光源系统可构造和配置以安装在蓄水池系统400上。这种系统中，紫外线光源310布置在位于待处理液体上方的紫外线光源系统300中，如上所述其中包含光学元件，并向下朝待处理液体方向投射一个紫外线剂量区并射入其中，且液体从进水点120(蓄水池出水点)垂直朝紫外线光源的方向流动，然后从出水点140流出。该至少一个紫外线光源布置在待处理液体上方，向下朝待处理液体投射紫外线输出350并射入其中，且液体向上朝紫外线光源方向流动。
系统内建立数个紫外线剂量区，在图6中总体表示为500。第一个区是光源系统出口紫外线剂量区510，其出现于光源系统与空气界面。下一个区是空气/蒸汽紫外线剂量区520，其出现在紫外线光源正下方及水与至少一个界面板240的正上方。下一个区是界面板紫外线剂量区530，其出现在水与至少一个界面板240的交界处。该至少一个界面板用于在液体上方提供一个反应区，用于紫外线消毒，并提供用于平衡pH值、影响出水的化学性质、提供催化剂及其类似情况的额外处理措施。最后一个区是浸没式紫外线剂量区540，其产生了一个可变的紫外线剂量区，距离紫外线光源较远处效力下降。
试验实施例本部分概括介绍用图4所示非立管结构家用消毒系统(NRC-HDS)进行水消毒试验的结果。本实施例不一定是最佳的，而是实现优选实施方案的简化方案，并不是对结构的一种限制。本实施例用于说明紫外线消毒系统和方法的作用，其中液体为水。试验实施例及其结果如下
试验实例与结果—非立管结构家用消毒系统(NVR-HDS)在依据本发明所述的家用水净化装置的这个实施方案中，采用了一只光谱校准灯。这种灯的一个实例是ORIEL仪器的6035型汞(氩)光谱校准灯。此灯在254纳米处发射紫外线辐射。使用直流电源，工作电流为15毫安时，距光源25厘米处记录的该灯发出的波长为254纳米的光强为74mW/cm2。工作电流为18毫安时，该灯的额定寿命为5000小时。该灯是通过螺纹口接入不锈钢水箱顶部的。不锈钢水箱为圆柱形，高度61厘米，直径56厘米。该水箱含有一个距底座约1英寸的乙烯树脂衬筒、一个位于底座中央的英才不锈钢插塞以及一个距顶部约3英寸的不锈钢插塞。注入125升水时，在水面与水箱顶面之间约有4英寸的空隙。
为证明依据本发明所述的此实施方案的效果，该水箱用紫外线灯进行了杀菌，然后再注入125升经过消毒的去离子水。该水用紫外线照射的方法进行消毒约6小时。照射后，对水箱进行通风，直到消除臭氧的气味。对水进行取样显示，在接种之前水中不含大肠菌菌落形成单位。接着，向水箱中添加2毫升含有约1.14×105/CFUs毫升大肠杆菌的液体培养基。用电磁搅拌装置缓慢搅拌该水箱3个小时，使细菌分散。用0.45微米过滤器通过过滤来采集100毫升和/或10毫升样本。过滤后，卸下过滤器并置于含有吸收垫及约2毫升大肠菌指示剂介质的陪替氏培养皿中。然后让陪替氏培养皿在约37摄氏度的温度下培养一整夜。定期对水箱取样进行3个小时，确定细菌是否分散以及细菌的自然死亡率如何。然后打开汞(氩)灯，对水箱所含液体照射24小时。打开灯后，在5分钟和15分钟时分别取样一次，之后每15分钟取样一次，直到打开灯后的2小时。由此再以30分钟为间隔取样，再进行2小时，最后一次取样在8小时。结果示于下表1中。从表1中可见，照射5分钟后，100毫升水样中已没有菌落形成单位。因此，经过仅5分钟照射后，本发明的此实施方案能够对含有约2.3×105个菌落形成单位大肠杆菌的125升饮用水进行灭菌。包括水箱内部反射系数在内的几个因素被认为对此系统不同寻常的灭菌效力起着重要作用。
表1.依据本发明所述的优选实施方案对含大肠杆菌1的水进行紫外线照射的结果
1 约2.3×105个菌落形成单位的大肠杆菌被添加到125升经过灭菌的去离子水中，用ORIEL仪器的6035型紫外线光谱校准灯紫外照射24小时。
2 10毫升水样中检测出的菌落形成单位乘以10。
3 100毫升水样中检测出的菌落形成单位。
此系统的几个优点包括非浸没式灯不像浸没式灯那样，需要大量的清洁维护工作以去除灯上的脏污。
另外，这种间歇型系统布置有利地延长了灯的寿命，因而更换时间更长或者说灯的寿命周期更长。由于开关灯会降低灯的寿命，系统可制造和配置成重新启动灯之前蓄水池充分排空(例如，采用净化水蓄水池或水箱时，灯的活动可根据水箱水量和水位进行控制、预定程序或用其它方法进行调节。灯被布置、配置及编程以进行间歇运行，如每天一小时左右，根据蓄水池大小和使用该系统的人数而定(以每天需要的或使用的加仑数计量)。这样，连续运行寿命为一个月的灯可延长至或许一年，取决于系统的具体特性和技术规格，包括水的特性。
因而，从依据本发明所述的优选实施方案与现有技术相比的优点中可以看出，依据本发明所述的优选实施方案所需的维保工作量，与现有技术相比，显著减小。
在水曝露于本发明的紫外线剂量区之前混浊度较高的情况下，本发明要求对水进行一些预处理。可有利地采取包括但不限定于过滤、稀释、反渗透及化学处理的降低混浊度的传统措施，以提高依据本发明所述的系统的紫外线效力。但优选实施方案的某些方面与现有技术相比，更容易处理高混浊度的液体。
界面板可促使紊流或造成液体沿非平面表面、阶梯表面、下滑表面或其类似物泻流。液体混浊时，促使紊流是特别有利的。混浊，即沉淀物被搅起而使水变混浊的这种状态，会影响紫外线能量的传输，降低紫外线消毒系统的消毒功效。因而，通过促使颗粒旋转的紊流，使颗粒的所有方面均曝露于紫外线。另外，系统的光催化性能通过降解化合物或导致混浊的颗粒，从而降低混浊度。此外，在混浊状态下运行时，系统表面中的反射面会增强系统的效力，因为紫外线可通过颗粒的旋转，照射到颗粒的各个表面，从而克服颗粒的不透明性问题。增强混浊状态下系统性能的另一个特征是系统的高紫外线强度。高紫外线强度与低强度系统相比，可更容易地补偿紊流的波动。因而，优选实施方案具有几项增强混浊状态下系统性能的特性。
在水中含有较高铁或镁含量、混浊和/或含有有机杂质的情况下，一般需要在水进入紫外线消毒段之前进行预处理，因为浸没于待处理水中的嵌在石英中的浸没式紫外线灯上的沉淀物，会影响紫外线的传输，从而降低紫外线剂量并致使系统失效。现有技术典型地在采用紫外线净化，并结合炭过滤、反渗透以及某些化学品来减少紫外线灯周围的石英套筒清洗之间的污垢。因而，优选实施方案的另一个优点是，降低混浊度不是系统充分发挥性能所必需的，从而系统消除了为降低混浊度对液体进行费用昂贵的预处理的需要。
内表面反射作用对系统效力的贡献，可通过在蓄水池内采用紫外线反射性材料及增强反射型设计来加以利用。还可以将这些相同的表面制造成使它们含有光催化剂，如前文有关界面板的内容所述。而且在蓄水池或VRC系统中可增加辅助表面以担载光催化剂。这样，采用紫外线反射性材料、紫外线反射型设计、光催化剂及辅助光催化表面的一体化设计，会大大增强系统的效力。
对于本领域的技术人员来说，在上述说明的基础上可进行某些修改和改进。通过实施例，根据给定系统所采用的具体紫外线光源或灯，可采用各种光学元件。此外，若干紫外线光源系统，或者平面水平或改型结构和/或圆柱形垂直立管结构，都进行串联组合或布置，以提高对液体进行有效消毒的流速。此外，广泛的液体应用均在本发明预想的范围之内，包括将紫外线液体消毒系统和方法应用于其它水容器、水源及配水设备的消毒，其中包括但不限定于室温及冷冻水箱、制冷机、喷泉、水塔、饮料厂、饮料分配器、洗碗机、热水器、洗衣机、浴缸、淋浴器、马桶及水泵。另外，需要饮用水但其中的水又并非主要用于饮用的储水设备，可配备依据本发明所述的紫外线液体消毒系统和方法。举例说明，但不作为限制，如游泳池、热浴池、蒸汽室、桑拿浴、水上公园及观赏喷泉，均可配备依据本发明所述的紫外线液体消毒系统和方法，以对其中所含有或使用的水进行消毒或保持水的微生物纯净度。
这种多点应用也可通过光导与一个光源如光泵相连接。这种布置消除了应用的每一处均需要一只灯或一个光源的必要。由于可能不需要连接照射每个应用点，这样一种布置使单点应用所需的同样大小的灯可间歇性或按需服务于多点应用，从而使灯的利用率更高。另外，将灯放置在水箱外部，降低了灯或灯箱破裂造成玻璃和/或汞污染水的危险性。这种结构的另一个优点是不再需要以前的浸没式系统中为防止这种污染所需的过滤器。
为做到言简意赅，本文删简了所有修改及改进方面的内容，但所有修改及改进均完全属于所附权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于处理饮用水的紫外线消毒系统，该系统包括至少一个位于灯箱内并与电源连接用于从灯箱内产生紫外线输出的光源，该系统包括至少一个位于至少一个光源与从灯箱射出的紫外线输出之间的光学元件，从而产生一个聚焦的、可控制的紫外线输出，其中至少有一个紫外线剂量区用于对水中的微生物进行有效杀灭。
2.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源为一只灯。
3.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源为一只紫外线灯。
4.依据权利要求3所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源为一只光谱校准灯。
5.依据权利要求3所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源为无电极灯。
6.依据权利要求3所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源为一只卤化汞灯。
7.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源为一只光泵装置。
8.依据权利要求7所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源发出的输出通过纤维光学传输线路传播。
9.依据权利要求7所述的紫外线系统，其中纤维光学传输线路的第一端与灯箱输出连接，使来自灯箱的紫外线输出通过纤维光学传输线路并从第二端射出，使从纤维光学传输线路射出的紫外线输出投射入水中。
10.依据权利要求8所述的紫外线系统，其中纤维光学线路含有丙烯酸纤维。
11.依据权利要求8所述的紫外线系统，其中纤维光学线路含有玻璃纤维。
12.依据权利要求8所述的紫外线系统，其中纤维光学线路含有液芯纤维。
13.依据权利要求8所述的紫外线系统，其中纤维光学线路含有空心纤维。
14.依据权利要求8所述的紫外线系统，其中纤维光学线路含有芯-护套纤维。
15.依据权利要求8所述的紫外线系统，其中至少一个含液体装置通过纤维光学输出线路与光泵装置连接。
16.依据权利要求1所述的紫外线系统，进一步包括无脏污灯箱，从而避免了为保证液体连续紫外线消毒而采取的清理工作。
17.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中灯箱附着在蓄水池上，紫外线输出对蓄水池内所含基本不流动的蓄水进行消毒。
18.依据权利要求17所述的紫外线系统，其中系统采用了非垂直立管结构。
19.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中灯箱附着在含有流水的蓄水池上。
20.依据权利要求2所述的紫外线系统，进一步包括一种垂直立管结构(VRC)，其中水以预定的速度向紫外线输出流动，从而当水接近光输出时，在水里产生不断增大的紫外线剂量。
21.依据权利要求20所述的紫外线系统，其中界面区进一步包括至少一种添加剂，当液体流经界面区并流过表面区时，它影响液体的特性。
22.依据权利要求21所述的紫外线系统，其中至少一种添加剂选自TiO2、WO2、ZnO、ZnS、SnO2及PtTiO2及其类似物。
23.依据权利要求20所述的紫外线系统，其中垂直立管结构系统是便携式的。
24.依据权利要求20所述的紫外线系统，其中垂直立管结构系统可根据具体应用进行缩放。
25.依据权利要求20所述的紫外线系统，其中系统适应于移动连接至用于将水输送至末端用户输出的管路系统，从而能够在多个相应的末端用户输出处布置多套系统，以同时在多处提供消毒的净化水。
26.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中至少一个光学元件选自反射体、快门、透镜、分光镜、分光反射体、级联反射体、调焦器、反光镜、刚性或柔性光导、均化器、混合棒、歧管及其它联接器、滤光镜、格栅、衍射器、色轮及纤维光学传输线路。
27.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中至少一个光学元件为轴外光学元件。
28.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中至少一个光学元件为梯度元件。
29.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中至少一个光学元件能传送紫外线。
30.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中至少一个光学元件能反射紫外线。
31.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中至少一个光学元件包括纤维光学传输线路，其中线路第一端与灯箱输出连接，使来自灯箱的紫外线输出通过纤维光学传输线路并从第二端射出，使从纤维光学传输线路射出的紫外线输出投射入水中。
32.依据权利要求26所述的紫外线系统，其中至少一个光学元件为将来自光源的光线通过灯箱上的输出点聚焦并射入水中进行消毒的透镜。
33.依据权利要求32所述的紫外线系统，其中透镜为抛物线透镜。
34.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线剂量区包括一个水-空气界面剂量区和一个可变的液内剂量区。
35.依据权利要求1所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源位于待处理水的外部，从而对水里的微生物进行有效杀灭。
36.一种用于处理饮用水的紫外线消毒系统，该系统包括至少一个位于待处理水外部和灯箱内部并与电源连接用于从灯箱内产生紫外线输出的光源，该系统包括至少一个位于至少一个光源与从灯箱射出的紫外线输出之间的光学元件，从而产生一个聚焦的、可控制的紫外线输出，其中至少有一个紫外线剂量区用于对水中的微生物进行有效杀灭。
37.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源为单只紫外线灯。
38.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源为一只光谱校准灯。
39.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源为无电极灯。
40.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源为一只卤化汞灯。
41.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源为一只光泵装置。
42.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线光源为脉冲灯装置。
43.依据权利要求36所述的紫外线系统，进一步包括无脏污灯箱，从而避免了为保证液体连续紫外线消毒而采取的清理工作。
44.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中灯箱附着在蓄水池上，紫外线输出对蓄水池内所含基本不流动的蓄水进行消毒。
45.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中灯箱附着在含有流水的蓄水池上。
46.依据权利要求36所述的紫外线系统，进一步包括一个用于在预定时间启动或关闭光源的定时器。
47.依据权利要求36所述的紫外线系统，进一步包括一种垂直立管结构(VRC)，其中水以预定的速度向紫外线输出流动，从而当水接近光输出时，在水里产生不断增大的紫外线剂量。
48.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中界面区进一步包括至少一种添加剂，当水流经界面区并流过表面区时，它影响水的特性。
49.依据权利要求48所述的紫外线系统，其中至少一种添加剂选自TiO2、WO2、ZnO、ZnS、SnO2及PtTiO2及其类似物。
50.依据权利要求46所述的紫外线系统，其中垂直立管结构系统可根据具体应用进行缩放。
51.依据权利要求46所述的紫外线系统，其中系统适应于移动连接至用于将水输送至末端用户输出的管路系统，从而能够在多个相应的末端用户输出处布置多套系统，以同时在多处提供消毒的净化水。
52.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中至少一个光学元件选自反射体、快门、透镜、分光镜、分光反射体、级联反射体、调焦器、反光镜、刚性或柔性光导、均化器或混合棒、歧管及其它联接器、滤光镜、格栅、衍射器、色轮及纤维光学传输线路。
53.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中至少一个光学元件能传送紫外线。
54.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中至少一个光学元件能反射紫外线。
55.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中至少一个光学元件包括纤维光学传输线路，其中线路第一端与灯箱输出连接，使来自灯箱的紫外线输出通过纤维光学传输线路并从第二端射出，使从纤维光学传输线路射出的紫外线输出投射入水中。
56.依据权利要求55所述的紫外线系统，其中纤维光学线路含有丙烯酸纤维。
57.依据权利要求55所述的紫外线系统，其中纤维光学线路含有玻璃纤维。
58.依据权利要求55所述的紫外线系统，其中纤维光学线路含有液芯纤维。
59.依据权利要求55所述的紫外线系统，其中纤维光学线路含有空心纤维。
60.依据权利要求55所述的紫外线系统，其中纤维光学线路含有芯-护套纤维。
61.依据权利要求52所述的紫外线系统，其中至少一个光学元件为将来自光源的光线通过灯箱上的输出点聚焦并射入水中进行消毒的透镜。
62.依据权利要求61所述的紫外线系统，其中透镜为抛物线透镜。
63.依据权利要求36所述的紫外线系统，其中至少一个紫外线剂量区包括一个水-空气界面剂量区和一个可变的液内剂量区。
64.一种净化饮用水的方法，它包括以下步骤提供一套紫外线净化系统，它包括至少一个位于待处理饮用水外部的紫外线光源，及至少一个位于至少一个紫外线光源及待处理液体之间的界面区，该至少一个紫外线光源设计、配置和连接用于在液体外部提供紫外线产生至少一个紫外线剂量区；在至少一个界面区呈现一个表面区，其中表面区具有一个与之相应的紫外线剂量区，用于对待处理水进行消毒；将经预处理的液体引入该系统，水流经液体内的至少一个紫外线剂量区并流经至少一个界面区和表面区紫外线剂量区；通过在紫外线剂量区曝露于紫外线，对水进行消毒；将经过消毒的水配发到系统外部。
65.依据权利要求64所述的方法，进一步包括通过水压系统使水通过系统的垂直立管结构的步骤。
66.依据权利要求64所述的方法，进一步包括通过在界面区上引起液体内一种反应的至少一种添加剂来改变水特性的步骤。
67.依据权利要求64所述的方法，进一步包括当水流经系统时促使水紊流的步骤，从而增强其对紫外线的曝露及消毒效果。
68.依据权利要求64所述的方法，进一步包括在界面区引入一种催化剂的步骤。
69.依据权利要求64所述的方法，其中系统包括一个非浸没式光源。
70.一种对饮用水进行紫外线消毒的方法，它包括以下步骤提供一套紫外线消毒系统，它包括至少一个与待处理水外部至少一个能传播紫外线的光学元件耦合的紫外线光源，及至少一个位于至少一个紫外线光源及待处理液体之间的界面区，该至少一个紫外线光源设计、配置和连接用于在液体外部提供紫外线产生至少一个紫外线剂量区；在至少一个界面区呈现一个表面区，其中表面区具有一个与之相应的紫外线剂量区，用于对待处理液体进行消毒；将经预处理的液体引入系统，液体流经液体内的至少一个紫外线剂量区并流经至少一个界面区和表面区紫外线剂量区；通过在紫外线剂量区曝露于紫外线，对水进行消毒；将水配发到系统外部。
71.依据权利要求70所述的方法，进一步包括通过水压系统使水通过系统的垂直立管结构的步骤。
72.依据权利要求70所述的方法，进一步包括通过在界面区上引起水中一种反应的至少一种添加剂来改变水特性的步骤。
73.依据权利要求70所述的方法，进一步包括当液体流经系统时促使水紊流的步骤，从而增强其对紫外线的曝露及消毒效果。
74.依据权利要求70所述的方法，进一步在界面区引入一种催化剂的步骤。
全文摘要
一种用于处理液体的紫外线消毒系统和方法，其包括一种利用至少一个不浸没在液体中的紫外线光源或灯有效地起作用的配置和设计，这提供对至少一个紫外线剂量区的曝露。紫外线光源可布置在垂直立管结构中，其中紫外线光源位于待处理液体上方，向下朝待处理液体投射一个紫外线剂量区并射入其中，且该液体向上朝紫外线光源方向流动。另一种情况是，紫外线光源可布置在非垂直立管结构中，其中紫外线光源位于蓄水池内液体的上方，并向下投射一个紫外线剂量区射入静止液体中。
文档编号A61L2/10GK1494436SQ01822320
公开日2004年5月5日 申请日期2001年11月28日 优先权日2000年11月28日
发明者I·霍顿, K·加勒特, I 霍顿, 仗 申请人:远光公司