低成本的水消毒方法和仪器的制作方法

专利名称：低成本的水消毒方法和仪器的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及水消毒，以供人类消费。更具体地说，本发明涉及低成本的水过滤和消毒，以便在资源有限的情况下提供饮用水。
目前可以获得多种水消毒系统。然而，一般的系统不适合在发展中国家对饮用水进行消毒。例如，许多系统是设计用于处理工业用水或大量(如城市)供水的。这些系统往往贵得不切实际，并且在小规模使用时比较复杂，例如12人以下使用时。其它的系统是开发用于工业国家的家庭使用或发展中国家中具有加压自来水供水的人群。在这种情况下，这些系统往往在城市供水的压力下工作，因此不适合在没有自来水的地方使用。而且，这些系统不会处理经常在发展中国家，尤其是亚热带和热带气候下发现的一些病原体。
因此，存在对于小规模系统和安全、有效地提供饮用水的方法的需求。期望这样的系统和方法能便于携带，并且价格要便宜到足以在偏僻地区，尤其是发展中国家使用。
发明概述本发明的一个方面是提供了一种水消毒器。这种消毒器包括一个由重力驱动的给用水传送系统，该系统限定了一个从上游入口到下游出口的水流路径。在水流路径中放置了一个陶瓷过滤器，而且放置一个紫外光源来辐射陶瓷过滤器的下游水流。
本发明的另一个方面是提供了一种用于水消毒的方法。该方法包括将水流入一个水传送系统。水由重力驱动通过陶瓷过滤器而生产出滤过水。然后在水传送系统中，陶瓷过滤器的下游，将滤过水暴露于紫外光中。
在图解实施方案中，陶瓷过滤器是一个圆柱形“烛状”过滤器，其上有一个孔部分地延伸到该过滤器中。该过滤器被放置于容器的出口上，并且使给用水不断地流入容器中。然后给用水通过过滤器得到过滤，并且从此处沿着水流路径通过出口被传送到存储容器中。在几个实施方案中，沿着水流路径用紫外线照射对滤过水进行消毒。成批地照射存储在存储容器中的水也可以对滤过水消毒。
本发明是一个在给发展中国家的人们提供安全用水上的进步。用一个功率非常低的UV灯和低成本的陶瓷过滤器就可以只用消耗很少的电能从实际上任何新鲜水源、甚至不确定或生物学质量受损的水源提供饮用水。由重力驱动的操作在保持低成本的同时有助于延长水在UV中的暴露时间，从而有助于完全消毒。所述水消毒器的这些独一无二的品质允许世界上的农村和不发达地区的人们以低成本享用安全用水的好处。相应地，可以降低这些社区的婴幼儿死亡以及常见疾病。
图2是水消毒器的示意图，是根据本发明的第二个实施方案绘制的，包括一个淹没在水中的紫外光源和杯子；图3是水消毒器的部分剖面的示意图，是根据本发明的第三个实施方案绘制的，包括一个放置于中空过滤元件中的紫外光源；图4是沿着图3中的线4-4的截面图；图5是水消毒器的示意图，是根据本发明的第四个实施方案绘制的，包括一个悬挂的杯子和紫外光源；图6是水消毒器的部分剖面的示意图，是根据本发明的第五个实施方案绘制的，使用了多个平行的过滤元件；图7是水消毒器的部分剖面的示意图，是根据本发明的第六个实施方案绘制的，包括一个悬挂在上边的储水池中的紫外灯；图8是水消毒器示意性的部分剖面图，是根据本发明的第七个实施方案绘制的，包括一个支撑悬挂紫外灯的环行物；图9是水消毒器的剖面示意图，是根据本发明的第八个实施方案绘制的，包括头埋式陶瓷烛式过滤器；和

图10是水消毒器的示意图，是根据本发明的第九个实施方案绘制的，包括一个有自动阀装置的中间存储储水池。
优选实施方案的详细描述正如上面背景部分指出的，传统的水消毒系统不适合用于偏僻地区，尤其是资源缺乏的发展中国家。许多系统用于过滤已经适合饮用的水系，如发达地区的城市供水，其目的是为了提高口味、降低矿物质含量或者作为已经处理过的水中的生物污染物的另外屏障。由于困难的操作条件及可用水系中潜在的高病原体负荷，专门为发展中国家设计用于未净化的水消毒的其它系统使用起来往往很复杂、难于维修，运转起来很昂贵。
Gadgil等的美国专利5,780,860提供了一种在偏僻地区对廉价水消毒的需求的解决方案。这个图解性设备使用了一个简单的装置来引导水通过悬挂在空中的紫外(UV)灯下的浅盘。在重力的作用下，水在UV灯下以可控速率流动。仔细地设定水流路径以便提供恒定的流动速率，甚至将正在流动的水暴露在UV灯的消毒能量下。尽管缺少抽水工具且只使用功率为40W的UV灯，该’860专利的商用实施方案可以安全地以每分钟高达15L的吞吐量对水进行消毒。
尽管该’860专利所描述的设备比传统的水消毒系统简单、便宜，但该设备的创办成本和运作成本仍然比较高。机架和盘限定了一个仔细布置的水流路径以确保当水流经该设备时靠重力流入的水暴露于UV消毒灯下，因此必须特别细心地进行生产。另外，仅公告的灯就消耗相当多的功率(如大约40W)，对此而言，相当于需要与一盏白炽桌灯等量的电功率。在没有电力服务或电力服务不一致的地方，这些系统需要特殊的设备。目前设计用于家庭或小社区(有几百人的社区)的设备价值好几百美圆。
图1A说明了一种简单且很便宜的水消毒设备1，该图是根据本发明优选的实施方案绘制的。如图所示，消毒设备1包括一个上边的容器或储水池5和一个下边的容器或储水池10。上边的储水池5和下边的储水池10可以是任意合适的尺寸或形状。在图解的实施方案中，上边的储水池5和下边的储水池10每一个都由通常在发展中国家可以获得的塑料或金属桶组成。代表性的储水池5和10的高度大约是1.5英尺，直径大约是1.0英尺。尽管图解中是隔开的，但在实践中优选的是将储水池5和10直接堆放在一起(参考图3的实施方案)。
上边的储水池5包括一个盖子330，用入口18可以通过此盖子注入给用水。另外，可以将盖子330临时移动，用给用水来装满储水池。例如，可以将在水源(如湖泊、河流、井水)装满的桶注入储水池5。在其它的配置中，储水池5可以是露天的，且可以没有盖子，这样便于注水。当然，可以理解到，在可以获得抽水装置的地方可以将水抽入储水池5。然而，期望所描述的储水池5本身不被加压。更确切的说，水是在重力的作用下流经消毒设备1。上边的储水池5也包括一个出口19，优选地位于上边的储水池5的下端。在图解的实施方案中，出口19位于下边的储水池5底部的中央位置。
离出口19最近的是一个过滤元件，优选的是一个深度过滤元件。更优选的，该过滤元件包括一个无釉陶瓷构件，而且是以圆柱体来说明的，其中包括一个从圆柱体的一端延伸出来并在相反的一端封闭的中央孔22。由于形状的缘故，这样的圆柱形陶瓷构件一般指陶瓷“烛式过滤器”，并且在非洲和印度次大陆的发展中国家中，它们被长期用来简单地过滤污水和满是泥沙的水。因此，可以在大部分地区很容易地获得这种用于水消毒设备1的烛式过滤器20。如图所示，烛式过滤器20优选地盖在出口19上，并且中央孔22与出口19在一条直线上且开口朝向出口19，这样水就流经该过滤器以便到达下边的储水池10。
对于图1B，优选地将烛式过滤器20密封在上边的储水池10的底板上。在图解的实施方案中，用防水的防漏垫圈24夹在烛式过滤器20和塑料底座23之间，这样就可以将烛式过滤器20安装在塑料底座23上。压缩垫片26位于塑料底座23和上边的储水池5的底部之间。期望浇铸为塑料底座23的组成部分的塑料中空螺栓27从储水池出口19中延伸出来。中空螺栓27上的翼状螺帽27’变紧后用力压紧压缩垫片26，从而将底座23密封在储水池的底板上。
正如本领域所熟知的，可以使用多种孔径的陶瓷。优选的，烛式过滤器20的标称额定值(即允许通过的最大微粒大小)在大约0.5～10微米之间；在优选的实施方案中，烛式过滤器20的额定值小于大约2微米。
陶瓷烛式过滤器20优选的高度在大约3英寸(7.5厘米)到24英寸(60厘米)之间(以8英寸或20厘米来说明)，并且外径在大约1英寸(2.5厘米)到8英寸(20厘米)之间(以4英寸或10厘米来说明)。对烛式过滤器20的直径、高度、壁厚及过滤额定值进行选择，以便用期望的水流速度平衡期望的过滤水平，并且进一步考虑为了合适的使用期限，定期地对过滤器20的外部表面进行擦拭清洁。优选的，对于常用孔隙率的陶瓷烛式过滤器20，其壁厚在大约0.25英寸(6.4毫米)到3.0英寸(76.2毫米)之间，更优选的在大约0.5英寸(12.7毫米)到1.5英寸(38.1毫米)之间。在图解的实施方案中，中央孔22从开口处延伸出大约7英寸的长度，并且其直径大约是3英寸。这样的配置使得侧壁和顶壁的厚度都是大约0.5英寸(12.7毫米)。
在图1A的实施方案中，出口19与通向下边的储水池10的导管25相连。下边的储水池10包括一个最靠近下边的储水池10中水流路径的紫外(UV)光源28。UV光源28发出包括具有杀菌力的紫外光在内的光，在图1A中仅示意性地说明了其位置。发出的光优选的是具有最高能量或强度，波长在大约220～300纳米之间，更优选的在大约250～270纳米之间，在图解的实施方案中是大约254纳米(低压水银等离子体发出的主要波长)。
在图解的实施方案中，根据可获得性，紫外光源28优选的包括多种类型中的任何一种UV灯，如低、中或高压水银灯或氙弧灯、或固态UV光源(如发光二级管)。优选的，UV灯28消耗的功率低于大约40W，更优选的低于大约15W，并且图解的UV灯只消耗大约4W。可以获得合适的4W UV灯，例如从位于加拿大Pacoima的JKLComponents Corp.公司。这样的低功率灯可以用很小的再充电式电池来提供动力，但也可以用交流电电源来提供动力。正如下边针对图3的进一步讨论中，在其它的配置中，发光二极管在UV范围内发光只消耗非常低的功率(如在毫瓦范围之内)。
下边的储水池10也优选的包括一个出口，以便下边的储水池10不需要倾斜就可以倒出消毒水。在图解的实施方案中，该出口包括一个有活塞的水龙头30，这样有助于控制滤过水和消毒水的排放，期望其位于下边的储水池10的底部或靠近底部的位置。
正如技术人员可以理解的，中央孔22、出口19、导管25、下边的储水池10和水龙头30限定了被烛式过滤器20已经过滤过的水的水流路径。虽然不需要彼此固定在一起，但上边和下边的储水池5、10代表着一个完整的系统，在这个意义上他们一起限制了水流路径。用UV灯28来沿着该路径对水进行辐射。在图解的实施方案中所述的UV灯28优选放置于下边的储水池10的下部(如下半区)，更优选的位于下边的储水池10的底板上，这样在操作中就可以将其淹没在水中。因此，优选的以技术人员都熟知的方式将UV灯28密封在石英套筒中。
优选的，UV灯28被放置在最靠近水流路径中的瓶颈位置，如导管25的下端(如图1所描述的)或水龙头30附近。更优选的，UV灯28被放置在导管25里边靠近其底部的位置。图解的UV灯28被有利地安装在环绕(或几乎环绕)导管25下端的倒置的杯子29里边，并且优选的悬挂在导管25上。正如技术人员可以理解的，倒置的杯子29充分地围绕导管25的下端和灯28，以确保即使在水龙头30开着的情况下也能给水充分的UV剂量。它也可以部分地保护储水池10的材料免遭UV的破坏。在杯子29的上端穿孔可以使受辐射的水慢慢地扩散到下边的储水池10。因此，下边的储水池10中的水通常可以安全地用于消费，并且也可以避免使用限制水龙头30的用途的安全方法。对于图解的瓦特灯28，灯28优选地被放置在距离水流路径中的瓶颈位置大约15厘米范围之内，更优选的是大约10厘米之内，最优选的是大约4厘米之内。如果可以获得大小适当的灯，灯28最优选地被放置在下降式导管25里边。
电源电路31用于电源(如电池)和灯28之间的电力传输。电路31包括安全特性如接地故障电路断路线路、灯的保险丝和镇流器。这些电路在美国专利5,780,860的第13和14栏做了进一步描述，将这些电路的公布文献引述于此作为参考。当然，优选的，灯28的电路和电力线路也是密封防水的。
在操作中，通过上边的入口18将给用水注入上边的储水池5。在重力的作用下，上边的储水池5中的水柱提供压力促使上边的储水池5中的给用水通过烛式过滤器20的孔慢慢地渗漏进中央孔22，优选的以低于大约4L/小时的速率。图解的烛式过滤器20的水流速率是大约0.5L/小时。
该过程可以除去非常细的微粒物质。因此瓦砾、淤泥、小微粒和大细菌都可以从烛式过滤器20被过滤掉。陶瓷过滤器20的孔使得它成为一个用于从流入物或给用水中除去微粒物质和细沉淀物的有效过滤器。
烛式过滤器20通过表面过滤、深度过滤和吸附来过滤给用水。许多微粒被表面过滤除去，表面过滤是一种发生在烛式过滤器20的顶部表面或主要表面上的俘获污染物的过滤过程。这些较大的微粒包括叶子、嫩枝、昆虫和其它相对比较大的瓦砾。随后，经过陶瓷过滤器20表面层的较小微粒被深度过滤除去。用深度过滤，当较小的微粒包括大细菌、一些大的原生动物包囊、石棉绒和类似大小的污染物在通过陶瓷壁层时被吸附。另外，一些非常小的微粒和溶解的分子被烛式过滤器20的陶瓷材料吸收和保留。
当过滤器20从饮用水中除去微粒时，陶瓷烛式过滤器20最外面的孔将最终被保留下来的微粒塞满。而这样的微粒物质将很快地堵住纸型过滤器，优选的陶瓷过滤器20可以被很快且很容易地清洗干净，这是因为它有更长的更换寿命，从而降低总的运作成本。简单地从上边的储水池5上除去及刷洗烛式过滤器20可以将表面的瓦砾清洗干净，并且腐蚀过滤器的外部表面使其暴露出新鲜的、没有被阻塞的孔。通常定期的清洗可以使发展中国家可以获得的用于水过滤的低成本的陶瓷过滤器(如目前用的大约2美元的陶瓷过滤器)使用大约3个月。
有利地，可以用穿过壁厚的记号来方便地制备烛式过滤器20，在重复的清洗表面的磨损之后可以用作剩余厚度的标识。例如，可以将FeSO4或FeCl3绘在过滤芯上然后将其焙干。该颜色渗入大约2毫米。当陶瓷层被磨损光时，外部表面上可见的颜色就会改变，这样当需要更换时用户就可以意识到。
重力给水操作，而不是高压，降低了沟流风险。当过滤器的孔被阻塞而且高水压迫使裂缝或裂纹裂开时，沟流就会出现，它可以使水不经过滤而流过烛式过滤器20。没有抽水机或高压的作用，烛式过滤器20往往是简单的阻塞，而不是沟流。然后操作员就可以确定出上边的储水池5的水位没有下降，这意味着水流路径被阻塞而且需要清洗陶瓷表面。
仅在重力的作用下，对于单个过滤器来说，流经陶瓷过滤器的水流速率一般低于50L/小时，更一般的低于大约4L/小时。图解的烛式过滤器20的孔隙在大约3～4微米的范围内，用上面指出的表面区域和厚度，每小时仅处理大约0.5L。给用水通过陶瓷壁的最厚处慢慢的过滤出，在孔22的内部蔓延出一层薄膜，薄膜沿着导管25进入下边的储水池10。
通过增加过滤器的表面区域可以提高流经陶瓷烛式过滤器的水流速率。例如，可以通过在其内部和外部表面挖出一些螺旋状或星状凹槽来增加陶瓷烛式过滤器的表面区域。其它增加水流速率的方法结合下面的图6和9的实施方案中做了描述。
病毒和许多细菌从过滤过程中逃走，并且与滤过水一起被传送到烛式过滤器20和下游元件的中央孔22限定的水流路径中。因此UV灯28，在烛式过滤器20的下游位置，用来对被过滤后的水进行消毒。
滤过水接受到的UV剂量优选的至少是大约16mW-秒/厘米2，更优选的至少是大约40mW-秒/厘米2，在图解的实施方案中在大约10,000～80,000mW-秒/厘米2之间。这样的剂量可以满足或超过UV水消毒设备的NSF国际标准，但是仅是商业上可以买到的设备的成本的一部分，并且只使用该功率的一部分(在图解的实施方案中是4W)。通过将流动、滴下或扩散水在低功率UV灯28下的缓慢暴露可以提供在大约254纳米的最大波长下的高剂量的紫外光能量。
图2是水消毒器1的示意图，是根据本发明的第二个优选的实施方案绘制的，其中与前面所描述的实施方案的部件类似的部件用类似的数字来指代。正如图1的实施方案，上边的储水池5包括一个位于出口19上的陶瓷烛式过滤器20。
与前面所描述的实施方案相反，UV光源或灯32被放置在位于下边的储水池10下部(如下半区)的中间存储容器或杯子35里边，并且放在图解的实施方案中下边的储水池10的底板上。当然，可以理解到，杯子35可以采用任何合适的开口容器形状。连接导管25与存储杯子35连接，优选地将其深入存储杯子35的下部(如下半区)，以便提供足够的从导管25出口到杯子35边缘的路径长度。流经该路径长度的水被暴露在UV光源32下。
在操作中，水沿着连接导管25从烛式过滤器20滴下，进入存储杯子35的下半区并受到UV灯32的辐射。一旦存储杯子35充满了水，它就开始溢出杯子35，流经灯32并且进入下边的储水池10的主体。因此这个杯子有助于水在远离灯32的安全距离内滞留更长的时间。优选的，对于图解的烛式过滤器20的水流速率，滤过水在杯子里的平均滞留时间优选的大于大约15秒，更优选的大于大约180秒。相反，较长的滞留时间可以使给定的UV光剂量使用较小的功率的灯32，或相反地提高功率限定的灯的UV光剂量。当然，滞留时间依赖于系统的水流速率。例如，单一的烛式过滤器20可以在悬挂的杯子48(图5)内部产生大约2000秒的滞留时间。然而，当使用4个烛式过滤器时(参考图6和9及所附文字描述)，水在UV杯子35中的平均滞留时间是大约500秒。在从杯子中溢出到能容纳容量的普通的下边的储水池10中时，水就被消毒而且可以使用了。
参考图3和4，水消毒器1是根据本发明的第三个实施方案绘制的，其中与前面所描述的实施方案的部件类似的部件用类似的数字来指代。放置了一个UV光源38，这样它可以给流经系统的滤过水提供至少大约16mW-秒/厘米2的UV能量，更优选的至少是大约40mW-秒/厘米2。在图解的实施方案中，该光源给水提供了大于大约400mW-秒/厘米2的辐射剂量。在图解的实施方案中，在烛式过滤器20的中央孔22中放置了一个4W的UV光源38，并且优选的位于孔22的中央，这样沿着孔22内部流动或滴下的滤过水在优选的不大于大约15厘米的位置流经UV光源38，更优选的是不大于大约10厘米，最优选的是在大约4厘米以内。也可以使用低功率的UV LED，但它们的功率输出值和UV光的多角分配目前还未知。
注意，在图3和4的实施方案中滤过水和消毒水可以简单地从出口19滴入下边的储水池10，消毒水在储水池10中被收集并储存起来。图中没有连接管。当然，可以理解到在图3的实施方案中也可以使用连接管。消毒后的水可以用水龙头30分配。
有利地，通过烛式过滤器20壁的缓慢的过滤率允许给光源38使用非常低的功率，从而确保滤过水在光源38下较长的暴露。尽管可以使用传统的水银灯或氙弧灯，但这些传统的设备所消耗的功率比充分消毒所需的功率要大的多。因此，图解的UV光源38优选地包括一个固态发光二级管(LED)，其在有杀菌能力的UV光范围内发出包括有显著强度的光。优选的，光源38在小于大约1W的功率下工作，更优选的小于大约0.5W。作为具有代表性的设备，在可以接受的波长范围(260纳米)，氮化铝的波段区间优选地可以提供功率在0.5～2mV之间的UV光。
图5是水消毒器1的示意图，是根据本发明的第四个优选的实施方案绘制的，其中与前面所描述的实施方案的部件类似的部件用类似的数字来指代。在这个实施方案中，在滤过水的水流路径中，UV光源包括一个固定在下边的储水池10中的悬挂的中间存储容器或杯子48中的传统的UV灯45。在图解的实施方案中，灯45和杯子48都是用从上边的出口19连通滤过水的连接管50悬挂的。灯45和杯子48被悬挂在下边的储水池10的上部(如上半区)，这样在正常的操作条件下它们就不会浸没在水中。
在其它的配置中，将理解到还可以将杯子和灯悬挂在出口的下边(如下边的储水池的侧壁或上边的储水池的底部)，并且允许水从出口滴到杯子中。另外，可以将灯悬挂在杯子的上边，滤过水就可以沿着灯的路线流动，这样灯就不会受水的限制(如参考图7的悬挂的灯的配置)。然而，正如图中所示的，优选的滤过水被传送到杯子48的底部。
在操作中，滤过水从连接管50滴下时就进入存储杯子48，靠近杯子48底部。在溢出之前，水从存储杯子48的底部，即导管50倒空进杯子48的位置，移动到杯子48的边缘。在水从杯子的底部流动到或扩散到边缘时的时间内，水被暴露于UV灯45的有杀菌能力的能量下。用图2的淹没在水中的杯子35，滤过水在悬挂的杯子48里边的滞留时间相对比较长，优选的大于大约15秒，更优选的大于大约180秒。在这个实施方案中，如果只有过滤器20的话，那么在杯子48中的平均滞留时间是大约2000秒。一旦水从存储杯子48的边缘流出到较大的下边的储水池10中，就可以通过水龙头40来进行消费了。
图6是水消毒器1的示意图，是根据本发明的第五个优选的实施方案绘制的，其中与前面所描述的实施方案的部件类似的部件用类似的数字来指代。图解的上边的储水池5包括多个陶瓷过滤器58、60、62，每个过滤器都有独立的中央孔59、61、63。多个陶瓷过滤器58、60、62提高了滤过水从上边的储水池5到下边的储水池10的总流量。每一个中央孔59、61、63用连接管65、66、67通过上边的储水池5中的出口19a、19b、19c相通。在图解的实施方案中，反过来，连接管65、66、67将滤过水连通到公共的连接管68。从而，滤过水沿着公共的水流路径通过连接管68进入下边的或存储储水池10，最终从水龙头30流出。
期望将UV光源放置在连接管68中或下游的公共水流路径中。例如，如图5中那样可以将灯放在一个竖立的杯子中，或如图1A中那样放在一个颠倒的杯子中。在图解的实施方案中，UV灯69位于连接管68的内部，用于将流经连接管68的滤过水全部暴露在有杀菌能力的能量下。流经连接管68和经过UV灯69的水流入下边的储水池10，水将被储存在这里直到可以通过水龙头30使用。由于灯69潜在的受直接与流经导管的水接触的影响，所以期望灯69与湿度绝缘，优选的放在石英套筒中。当然，将理解到在其它的配置中，可以与杯子一起使用多个烛式过滤器，在这个杯子中在滤过水溢出到下边的储水池10的总容积中之前被暴露在有杀菌能力的UV灯下。参考图2和5。
图7是水消毒器1的示意图，是根据本发明的第六个优选的实施方案绘制的，其中与前面所描述的实施方案的部件类似的部件用类似的数字来指代。正如用前边所描述的实施方案，上边的储水池5在出口10上有一个过滤器元件，并且该过滤器优选的包括一个陶瓷烛式过滤器20。第六个实施方案中的消毒器1具有允许用有杀菌能力的UV光分批辐射的特性。由于流经优选的陶瓷过滤器20(如大约1L/小时)的水流速率较慢，将滤过水暴露在UV光的周期性剂量下，而不是当水流经时，将是高能效的。
在上边的储水池5中，配备的塞子70来选择性地封锁出口19。塞子17控制滤过水从上边的储水池5流入下边的储水池10，优选的用电子装置。
在下边的储水池10中，优选的是传统的UV灯75被悬挂在水位之上。可以控制下边的储水池10中的水位以保持在UV灯75的下边，例如，用下边的储水池10侧壁上的溢出出口(没有标出)。从下面的公开可以理解到，依据所选择的将要被照射的水深和分批辐射的定时装置，优选地将UV灯75的功率水平定在大约4～60W之间，更优选的是大约10～40W之间。
期望用灯罩77来保护UV灯75不受滴落的水的影响。优选地灯罩77的内侧是用反射表面，以便使朝上照射的光反射到下边的滤过水上。灯75和塞子77都被悬挂在下边的储水池10中，如用图中所示的绳子80。下边的储水池10也有一个搅拌装置82，只有在图7中示意性的标了出来。正如技术人员将意识到的，搅拌装置82可以包括一个打泡器、旋转推进器或促使下边的储水池10中的滤过水混合的其它设备。
图解的消毒器1进一步包括一个给塞子70、灯75和搅拌装置82进行电力传输的电路板90。期望电路包括一个定时装置，并且在有起始信号时，在一段固定的时间内同时操作塞子70、灯75和搅拌装置82。更优选的，电路也被连接到分配水龙头30上，这样如果下边的储水池10中的水还没有被照射时就打不开水龙头30。
在操作中，水通过入口18流入上边的储水池5，并且通过烛式过滤器20过滤。滤过水被收集在下边的储水池10中直到有消毒起始信号产生。可以在用水龙头30分配水之前用人工的按钮产生起始信号。另外，促使起始信号自动产生的传感器(没有标出)可以决定下边的储水池10中是否已经达到合适的水位。
在任何一种情况中，期望起始过程促使电路90产生能关闭塞子70的信号以阻止更多的水进入下边的储水池10。电路90也产生打开UV灯75和搅拌装置82的信号。通过有效地降低光必需穿透的厚度，将水搅拌的操作降低安全消毒给定体积水所需的UV剂量。考虑到目前的所公开的文献，在给出搅拌速率、电灯功率和欲消毒的水体积时，技术人员可以很容易地确定适当的长短暴露时间以确保彻底消毒。既然陶瓷过滤保证了滤过水中的UV透明度是在确定水平，那么可以假定在图解设备中水的浑浊度(和由此引起的UV光吸收系数)为常量图解。
在计算的照射时间段过去之后，期望电路板90关闭灯75，并且允许操作水龙头30，直到塞子70被打开以允许更多的滤过水(但没有照射)流入下边的储水池10的那一刻。可以设计电路允许手工打开塞子70，或者阻止塞子70打开直到储水池10中的消毒水水位已经降低到从水龙头30排出的预先确定的水位。
图8是水消毒器1的示意图，是根据本发明的第七个优选的实施方案绘制的，其中与前面所描述的实施方案的部件类似的部件用类似的数字来指代。正如用前边所描述的实施方案，上边的储水池5在出口10上有一个过滤器元件，并且该过滤器优选的包括一个陶瓷烛式过滤器20。在图解的实施方案中，出口导管95从出口19向下到下边的储水池10。在相当于图7中塞子的位置，消毒器在出口导管95内部有一个可控阀门(没有标出)。像图7一样，图8的消毒器1被设计为分批辐照。
中间的支撑环100位于上边的储水池5和下边的储水池10之间。环100包括用来将上边的储水池5的底部和下边的储水池10的顶部紧密结合在一起的侧壁102。期望具有反射内壁的保护性灯罩104从环100的侧壁102上悬挂下来。如图所示，UV光源或灯106可以从灯罩104上悬挂下来，或单独从侧壁102上悬挂下来。正如在图7的实施方案中，灯罩104用来保护灯106免受从烛式过滤器20过滤出的水的影响。
图解的消毒器也包括一个搅拌装置，图解为含有一个迫使空气出来进入水中的导管的打泡器108。打泡器108可以是传统的结构，如通常在玻璃缸中可以使用的那种结构。尽管给出的是从灯罩104悬挂下来的，但打泡器108也可以被直接安装在中间的环100的侧壁102上。
可以用与上边所描述的图7分批设备同样的方式操作图8的实施方案。可以很方便很容易地用中间的环100来装配图8的实施方案。既然在计划使用的大部分地区可以容易地获得储水池5、10以及烛式过滤器20，那么只需要单独提供附着在环上的组件。因此，可以将运输成本将到最小。
与图6一样，图9的实施方案也包括多个陶瓷烛式过滤器305、310、315。这些过滤器被埋头式装进上边的储水池300，以便增加通过上边的储水池300的水的流速。可以使用任意个数的陶瓷烛式过滤器。可以将陶瓷过滤器305、310、315中每一个如上所述密封。通过使用多个埋头式陶瓷过滤器，陶瓷过滤器305、310、315周围的水压被完全统一且提高，直到上边的储水池300中的水几乎被抽完。因此在整个过滤过程中都会增加水流。
参考图10，所示的水消毒器1是根据本发明的第九个优选的实施方案绘制的，其中与前面所描述的实施方案的部件类似的部件用类似的数字来指代。正如前边所描述的实施方案，上边的储水池5在出口10上有一个过滤器元件，并且该过滤器优选的包括一个陶瓷烛式过滤器20。另外，中间的存储储水池210被放置在上边的储水池和下边的储水池之间的水流路径中。尽管示意性的将中间的存储储水池标在两个储水池之间，但可以将其悬挂在下边的储水池10靠上部分。虹吸管205将下边的储水池10的储水部分连接到中间的存储储水池210上。
在操作中，虹吸管205用作廉价、机械、自动的阀门。将中间的存储储水池210中的水定时通过虹吸管205全部排入下边的储水池10中。在水通过陶瓷过滤器20之后，来自上边的储水池5填充中间的存储储水池210。虹吸管205阻止水在达到预定的水位之前流入下边的储水池10。当水填充中间的存储储水池210时，UV灯220对水进行辐射。当达到预定的水位时，虹吸管205允许发生虹吸动作，从而使全部消毒水从存储储水池210全部流入下边的储水池10中。一旦全部消毒水全部流入下边的储水池10中，虹吸管205的虹吸动作就会结束，并且中间的储水池开始再次充水。
在图10的实施方案中，下边的储水池10中的全部水一直是消毒后的且可以饮用的。因此，与图7中的分批系统不同，例如，不需要安全装置来阻止使用已经过滤但没有被消毒的水。
在上边所描述的配制中，滤过水被收集在一个不断被辐射的中间的存储储水池210中。辐射后的(消毒后的)水被定期排入下边的储水池10中。
在另一种配置中，当中间的存储储水池210中的水位达到虹吸管水位下的期望高度时，UV辐射就可以开始。当虹吸管开始或预先确定的时间区间之后UV辐射就会停止，而不管哪种情况先发生。如例证中，虹吸管的倒置U形结构的顶部位于中间的存储储水池210中灯220的下边，如在容器210高度的中间位置之上的某一点。当中间的存储容器210中的滤过水达到虹吸管高度的五分之四(80％)时，传感器就会触发开关打开灯220。当更多的水慢慢地持续通过烛式过滤器20过滤时，灯220一直亮着。当灯被打开时，也可以打开中间的存储容器210中的搅拌装置(没有标出)。当中间的存储储水池210中的水位达到一半或虹吸管205的顶部水平时，全部水从中间的储水池容器210完全排入下边的储水池10中。同时，传感器触发开关并关掉灯220，直到滤过水再次上升到触发灯220的水位。不论上边的储水池5的盖子是开着或关着，传感器就会开始并且在整个预定时间区间都会工作。后边的操作是针对这一情况的，即当下边的储水池5空了而且中间的储水池容器210中有水时。
仍然在另一个配置中，虹吸管205的启动会触发打开下边的储水池10中UV灯的机械开关(如在虹吸管205里边)，同时触发固定时间期间的搅拌装置。当辐射正在进行时的短期间内水是不能用的，但在辐射剂量之间的长期间内是可用的。
中间的存储储水池210的容积优选的在大约0.25～2加仑之间，更优选的是大约0.25～0.5加仑之间。优选的虹吸管水位是在储水池210高度的大约一半位置，而触发高度在该水位稍微靠下的位置(如在储水池210高度45％的位置)。当盖子开着时，优选的UV辐射预定时间区间是在大约60～120秒之间。
在图解的配置中，水从过滤器过滤芯20滴入小盘230的一端，然后溢出到存储储水池210中。当灯220亮着时，小盘230和存储储水池210都同时暴露在UV下。设计盘230，以便新鲜滴入到盘230中水的滞留时间比用虹吸管207将存储储水池210倒空所需的时间长很多。即使在虹吸过程中，这也会保证只有完全辐射的水流入下边的储水池10。在虹吸管中的离开过滤器的任何水都会保留在盘230中，直到虹吸动作停止。
上边所描述的这些实施方案给出了一种能提供达到饮用纯化度的饮用水的便宜但仍然有效的消毒方法。当UV灯随着滤过水的流动而工作时，尽管由重力驱动的过滤的慢速率可以被看作是水消毒的一个障碍，陶瓷过滤器的这样的慢速率有利地保证了滤过水的彻底暴露。因此可以用较低的功率实现安全的UV消毒。同时，一般情况给用水将通过陶瓷过滤器20被充分地过滤，以提供具有始终如一的高UV消光系数的干净的水。因此不管是分批消毒还是当滤过水流经光源时消毒，都可以因此减低浑浊度，以便可以将功率设定在能确保安全UV消毒的最小水平。另外，在UV光源被暴露在水中的实施方案中，由于是暴露在比较干净的水中，所以预先过滤可以降低对灯的污染或对灯周围的石英套管的污染。反过来，降低污染可以延长套管的使用寿命，并且降低定期清洗的需求。
尽管已经根据一些优选的实施方案对前述发明做了描述，但考虑到此处公布的文献，其它的实施方案对本领域的普通技术人员也是显而易见的。因此，本发明不受对优选实施方案的描述限制，相反仅仅受到所附的权利要求的限制。
权利要求
1.一种水消毒器，包括一种由重力驱动的给用水传送系统，该系统限定了从上游入口到下游出口的水流路径；一个位于水流路径中的陶瓷过滤器；和一个放置的用来辐射陶瓷过滤器下游的水的紫外光源。
2.如权利要求1所述的水消毒器，其中紫外光源包括氙弧灯。
3.如权利要求1所述的水消毒器，其中陶瓷过滤器包括一个在其中部分延伸的孔。
4.如权利要求3所述的水消毒器，其中陶瓷过滤器包括一个圆柱体。
5.如权利要求3所述的水消毒器，其中紫外光源被放置在孔中。
6.如权利要求5所述的水消毒器，其中紫外光源包括一个发光二极管。
7.如权利要求6所述的水消毒器，其中紫外光源包括氮化铝。
8.如权利要求1所述的水消毒器，其中流经陶瓷过滤器的水流速率小于大约4L/小时。
9.如权利要求1所述的水消毒器，其中所有从陶瓷过滤器过滤的水在距离紫外光源大约15厘米之内流动。
10.如权利要求1所述的水消毒器，其中陶瓷过滤器包括多个单一的陶瓷过滤器。
11.如权利要求1所述的水消毒器，其中陶瓷过滤器凹进一个未净化的水的存储储水池的底板中。
12.如权利要求1所述的水消毒器，其中水流路径被一个在出口上具有陶瓷过滤器的上边的容器和一个用来从上边的容器接收和临时保存滤过水的存储容器所限定。
13.如权利要求12所述的水消毒器，进一步包括一个下边的容器，其中存储容器和下边的容器由一个虹吸管相连。
14.如权利要求13所述的水消毒器，其中紫外光源被放置在上边的容器和下边的容器之间来辐射水流路径。
15.如权利要求13所述的水消毒器，其中紫外光源被放置在下边的容器中。
16.如权利要求15所述的水消毒器，其中紫外光源被放置在存储容器中，并且存储容器被放置在下边的容器中。
17.如权利要求15所述的水消毒器，其中紫外光源被悬挂在存储容器的上半部分。
18.如权利要求17所述的水消毒器，其中紫外光源被一个灯罩盖住。
19.如权利要求1所述的水消毒器，其中紫外光源是用在其上通电的电路来操作的。
20.如权利要求19所述的水消毒器，其中电路进一步包括一个定时器。
21.如权利要求19所述的水消毒器，进一步包括一个阻止水流的塞子装置，其中塞子装置是在紫外光源的操作一旦发生时进行电驱动的。
22.如权利要求12所述的水消毒器，进一步包括一个放置在存储容器中的混合装置。
23.如权利要求22所述的水消毒器，其中混合装置包括一个打泡器。
24.如权利要求1所述的水消毒器，其中陶瓷过滤器包括不止一个陶瓷过滤器。
25.如权利要求1所述的水消毒器，其中陶瓷过滤器是用一种标记磨损的物质涂敷的。
26.如权利要求25所述的水消毒器，其中标记磨损的物质是FeSO4。
27.如权利要求25所述的水消毒器，其中标记磨损的物质是FeCl3。
28.如权利要求1所述的水消毒器，其中陶瓷过滤器含有增强凹槽的表面区域。
29.一种水消毒系统，包括第一个容器，在其靠下部分有第一个出口；一个具有上游表面和下游表面的陶瓷过滤器，过滤器被放置在第一个出口上；第二个容器，靠重力放置在第一个容器的出口并且与其以液体相通，第二个容器包括第二个出口；和一个紫外光源，用于沿水流路径从陶瓷过滤器的下游表面到第二个容器的第二个出口对水进行辐射。
30.如权利要求29所述的水消毒系统，其中下游表面包括限定孔部分地在陶瓷过滤器中延伸的内部表面。
31.如权利要求30所述的水消毒系统，其中紫外光源被放置在孔中。
32.如权利要求29所述的水消毒系统，其中流经陶瓷过滤器的水流速率小于大约4L/小时。
33.如权利要求29所述的水消毒系统，进一步包括一个在第二个容器中的中间的容器和一个从第一个出口延伸到中间容器的导管。
34.如权利要求33所述的水消毒系统，其中导管延伸到中间容器的底部。
35.如权利要求33所述的水消毒系统，进一步包括一个定期将水从中间的容器全部倒入下边的容器的自动装置。
36.如权利要求33所述的水消毒系统，其中水在中间容器中的平均滞留时间大于大约180秒。
37.如权利要求33所述的水消毒系统，其中中间的容器被悬挂在第二个容器的靠上部分中。
38.如权利要求33所述的水消毒系统，其中中间的容器被固定在第二个容器的底部部分中。
39.如权利要求29所述的水消毒系统，其中第一个容器被直接堆放在第二个容器上。
40.如权利要求29所述的水消毒系统，进一步包括一个插在第一个和第二个容器之间的环，及一个悬挂在环上的紫外光源。
41.如权利要求40所述的水消毒系统，进一步包括一个悬在紫外光源上的灯罩。
42.如权利要求41所述的水消毒系统，进一步包括一个位于第二个容器内的搅拌装置。
43.一种水消毒方法，其包括将水流入一个水传送系统；用重力驱动水通过水传送系统内的陶瓷过滤器以产生出滤过水；和将滤过水暴露在水传送系统内，陶瓷过滤器下游的紫外光源下。
44.如权利要求43所述的方法，其中暴光包括对保存在陶瓷过滤器下游的滤过水进行定时的辐射。
45.如权利要求44所述的方法，其中暴光进一步包括在定时辐射过程中停止流经陶瓷过滤器的水流。
46.如权利要求43所述的方法，进一步包括将滤过水临时存储在存储储水池，并当滤过水达到存储储水池中的预定水位时自动释放滤过水。
47.如权利要求46所述的方法，其中暴光是在存储储水池中进行的。
48.如权利要求46所述的方法，其中暴光是在下边的储水池，中间的存储储水池的下游进行的。
49.如权利要求43所述的方法，其中暴光包括在水传送系统中以小于大约4L/小时的速率使滤过水流经紫外光源。
50.如权利要求43所述的方法，其中暴光包括在水传送系统中，使滤过水在距离紫外光源小于大约4英寸的范围内流过。
51.一种用于产生饮用水的集成的过滤和消毒系统，其包括第一个容器，其在下端有一个出口；一个陶瓷过滤器，其有一个从一端的开口延伸出来的孔，该过滤器以来用与第一个储水池的出口保持开放式连通；和第二个容器，与所述第一个储水池保持液体相通，并且并堆放在所述第一个储水池的下边，所述第二个储水池包括一个紫外光源。
52.如权利要求51所述的系统，其中包括多个陶瓷过滤器，并且被装备在第一个容器中的相应多个出口上。
53.如权利要求52所述的系统，其中多个导管从多个出口通到第二个容器中。
54.如权利要求53所述的系统，其中多个导管中的每个都与第二个容器中的一个收集导管相通，并且所述收集导管中含有紫外光源。
55.一种水消毒器，其包括第一个容器，其下端有一个出口；一个陶瓷过滤器，其与第一个储水池的出口相通；一个中间储水池，其包括一个紫外光源，在其下端有一个出口，并且在出口有一个阀，中间储水池与所述第一个容器液体相通并且堆放在所述第一个容器下边；第二个容器，其与中间储水池液体相通并且被堆放在中间储水池下边。
56.如权利要求55所述的水消毒器，其中阀是一个虹吸管。
57.如权利要求55所述的水消毒器，其中紫外光源被连接到一个设定在流动中进行定期操作的自动开关上。
58.如权利要求57所述的水消毒器，其中光源的开关分别与阀的开和关活动同时发生。
59.一种消毒水的方法，其包括将水流入第一个容器；只用重力驱动水通过第一个容器中的陶瓷过滤器以产生出滤过水；只用重力驱动滤过水通过中间容器中的紫外光源以产生出消毒水；用阀将消毒水存储在中间的容器中；和打开中间容器的阀，由重力操作使消毒水流到第二个容器中。
60.如权利要求59所述的方法，其中阀是一个虹吸管。
61.如权利要求59所述的方法，进一步包括根据中间容器中的水位自动打开紫外光源。
62.如权利要求59所述的方法，其中紫外光源分别随着阀的关闭和打开而打开和关闭。
全文摘要
本发明涉及一种用于提供饮用水的低成本的系统(1)，包括一个给用水容器(5)，该容器有一个简单的陶瓷过滤器(20)覆盖在给用水容器(5)的出口(19)上。优选的过滤器(20)通常是具有一个部分延伸到其中的孔(19)的圆柱形结构，在发展中国家一般指“陶瓷烛式”过滤器。在重力的作用下，给用水从陶瓷过滤器(20)过滤到下边的存储容器(10)中。当滤过水流动或被收集在存储容器(10)中后，用紫外(UV)能量对其进行辐射。在一个实施方案中，将滤过水临时收集在中间的存储储水池(210)中，在这个储水池中分批恒定的对滤过水进行辐射并且定期将其释放到下边的容器(10)中。通过陶瓷过滤为更有效的UV消毒提供了具有低UV消光系数的干净水。另外，重力驱动的通过陶瓷过滤器(20)的过滤提供了低水流速率，从而在给定UV强度下提供了高UV剂量。
文档编号B01D39/20GK1406211SQ01805594
公开日2003年3月26日 申请日期2001年1月22日 优先权日2000年2月25日
发明者A·加伊尔, A·德雷舍尔 申请人:水健康国际公司