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Hintergrund der Erfindung
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(1) Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Anlage
und ein Verfahren zur Ultraviolettdesinfektion, insbesondere auf
eine Anlage und ein Verfahren zur Ultraviolettdesinfektion von Trinkwasser.
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(2) Beschreibung des Standes der Technik
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Wirkmechanismus von UV-Licht
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Nach
dem Stand der Technik wird bekanntermaßen für die Desinfektionsbehandlung
von Wasser ultraviolettes Licht (UV-Licht) verwendet. Bei keimtötenden Wellenlängen verändert ultraviolettes
Licht das genetische Material (DNA-Material) in den Zellen, so dass
Bakterien, Viren, Schimmelpilze, Algen und andere Mikroorganismen
sich nicht länger
fortpflanzen können.
Die Mikroorganismen gelten als tot, und das Risiko, dass von ihnen
eine Krankheit ausgehen könnte,
ist beseitigt. Während
das Wasser an den UV-Lampen in UV-Desinfektionsanlagen vorbeiströmt, werden
die Mikroorganismen einer tödlichen
Dosis UV-Energie ausgesetzt. Die UV-Dosis wird als Produkt aus der
Intensität
des UV-Lichts mal der Einwirkungsdauer in der UV-Lampen-Anordnung
gemessen. Mikrobiologen haben die effektive Dosis UV-Energie, die
benötigt
wird, um in Wasser vorhandene Krankheitserreger sowie Indikatororganismen
zu zerstören,
auf ungefähr
34.000 Mikrowattsekunden pro Quadratzentimeter festgelegt. In typischen
Desinfektionsanlagen und -vorrichtungen nach dem Stand der Technik
wird UV-Licht bei etwa 254 nm abgegeben; dieses UV-Licht dringt
in die äußere Zellmembran
der Mikroorganismen ein, wandert durch den Zellkörper, erreicht die DNA und
verändert
das genetische Material des Mikroorganismus; dabei zerstört es denselben
ohne Chemikalien, indem es ihn fortpflanzungsunfähig macht.
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Ultraviolettes
Licht wird in drei Wellenlängenbereiche
unterteilt: UV-C von etwa 200 Nanometern (nm) bis etwa 280 nm, UV-B
von etwa 280 nm bis etwa 315 nm und UV-A von etwa 315 nm bis etwa
400 nm. UV-Licht im Allgemeinen und UV-C-Licht im Besonderen ist „keimtötend", d.h. es deaktiviert
die DNA von Bakterien, Viren und anderen Krankheitserregern und
zerstört
somit ihre Fähigkeit,
sich zu vermehren und Krankheiten zu verursachen, was zur wirkungsvollen
Abtötung
der Mikroorganismen führt.
Insbesondere UV-„C”-Licht
bewirkt eine Schädigung
der Nukleinsäure
von Mikroorganismen durch die Bildung von kovalenten Bindungen zwischen
bestimmten benachbarten Basen in der DNA. Durch die Bildung dieser
Bindungen wird verhindert, dass für die Replikation das DNA-Codon
korrekt gelesen wird, und der Organismus ist weder in der Lage,
für den
Lebensprozess erforderliche wesentliche Moleküle zu produzieren, noch ist
er fortpflanzungsfähig.
Tatsächlich
geht ein Organismus, der nicht in der Lage ist, diese wesentlichen
Moleküle
zu produzieren, sowie unfähig
zur Replikation ist, zugrunde. UV-Licht mit einer Wellenlänge in einem
Bereich von etwa 250 bis etwa 260 nm hat die höchste keimtötende Wirkung. Während die
UV-Licht-Empfindlichkeit
schwankt, reicht die Einwirkung von UV-Energie für etwa 20 bis etwa 34 Milliwattsekunden
pro Quadratzentimeter aus, um ungefähr 99 Prozent der Krankheitserreger
zu deaktivieren.
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Regelung von Trinkwasserstandards
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Die
Einwirkung von Krankheitserregern führt nicht immer zu Krankheit;
ob das Trinken von verunreinigtem Wasser eine Krankheit auslösen kann,
hängt von
der Art und der Menge des aufgenommenen Krankheitserregers und von
dem gesundheitlichen (ernährungsbedingten
und immunologischen) Zustand der Person ab, die das Wasser trinkt.
Nach Untersuchung bestimmter Variablen, einschließlich der
Gattung und Anzahl der Krankheitserreger, hat die Weltgesundheitsorganisation
(WHO) einen Leistungsstandard festgelegt, den akzeptable Wasserdesinfektionsanlagen
erfüllen
müssen.
Nach diesem Standard muss eine akzeptable Wasserdesinfektionsanlage
in der Lage sein, verunreinigtes Wasser mit 100.000 KBE (koloniebildenden
Einheiten) Escherichia coli (E. Coli) pro 100 ml Wasser zu verarbeiten
und Auslasswasser mit weniger als einer KBE pro 100 ml zu erzeugen.
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Die
in der nationalen Trinkwasservorschrift (National Primary Drinking
Water Regulations, NPDWRs) niedergelegten Standards der Umweltschutzbehörde der
USA (United States Environmental Protection Agency, EPA) enthalten
bestimmte Anforderungen an den Gehalt an bestimmten Bakterien, Protozoen
und Viren. Giardia lamblia, ein Protozoon, sowie alle Viren müssen zu
99,9% abgetötet
oder deaktiviert sein. Heterotrophe Mikroorganismen dürfen 500
koloniebildende Einheiten (KBE) pro ml nicht übersteigen. In einem Monat dürfen insgesamt
höchstens
5,0% der Proben positiv für
Colibakterien ausfallen, und es dürfen keine fäkalen Colibakterien
vorhanden sein. Fäkale
Colibakterien und E. coli sind Bakterien, deren Vorhandensein anzeigt, dass
das Wasser mit menschlichen oder tierischen Fäkalabfällen verunreinigt sein kann.
Mikroben in diesen Fäkalabfällen können Durchfall,
Krämpfe, Übelkeit,
Kopfschmerzen oder andere Symptome verursachen.
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Stand der Technik
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Typischerweise
werden in dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen und
Anlagen zur Desinfektion von Wasser über die Einwirkung von ultraviolettem
Licht gewöhnlich
standardmäßige Ultraviolettlichtquellen
oder -lampen eingesetzt, die in Quarzhülsen eingekapselt und in dem
zu behandelnden Wasser aufgehängt
sind. Zu den Vorteilen der Verwendung von ultraviolettem Licht zur
Desinfektion von Wasser gehören
folgende: Es werden keine Chemikalien, wie beispielsweise Chlor,
benötigt,
um eine wirkungsvolle Wasserdesinfektion zu gewährleisten, vorausgesetzt, dass
bei einer gegebenen Einströmungs-
und Durchflussgeschwindigkeit die richtige Anzahl von richtig positionierten
Lampen verwendet wird. Da bei dem Desinfektionsvorgang keine Chemikalien
benötigt
werden, ist keine Lagerung und/oder Handhabung von giftigen Chemikalien
erforderlich; zur Gewährleistung
der Desinfektion ist kein Erwärmen
oder Abkühlen
notwendig; es sind keine Vorratsbehälter oder Speicher nötig, da
das Wasser behandelt werden kann, während es durch die Anlage fließt; bei
dem Vorgang wird kein Wasser verschwendet; es tritt keine Veränderung
des pH-Wertes, der chemischen Zusammensetzung oder des spezifischen
Widerstandes des behandelten Wassers auf; ungefähr 99,99% aller im Wasser befindlichen Bakterien
und Viren werden mindestens unter der Einwirkung des zur Desinfektion
verwendeten UV-Lichts abgetötet;
dies führt
zu einer erhöhten
Sicherheit im Gebrauch der Anlage und der Wirksamkeit derselben.
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Wie
oben dargelegt, desinfizieren UV-Wasserbehandlungsanlagen nach dem
Stand der Technik unbehandelte, verunreinigte Wasserquellen und
befreien dieselben von Mikroorganismen und anderen Substanzen und
erzeugen sauberes, sicheres Trinkwasser. Die in der Anlage von WaterHealth
International eingesetzte Kerntechnologie umfasst ein patentiertes
nicht in Wasser eingetauchtes UV-Licht. WHI beansprucht, dass es
sich bei dieser Technologie um eine neue und geprüfte, im
Lawrence Berkeley National Laboratory entwickelte Innovation handelt,
wobei das Lawrence Berkeley National Laboratory ein hochrangiges
international anerkanntes Labor des US-Energieministeriums (U.S.
Department of Energy) ist, welches von der University of California
geleitet wird. Diese Anlage nach dem Stand der Technik liefert eine
UV-Dosis von bis zu 120 mJ/cm2, was mehr als dreimal so viel wie
die von NSF International festgelegte Anforderung von 38 mJ/cm2 ist, über den
von der Weltgesundheitsorganisation und der EPA aufgestellten Standards
für die
Wasserqualität liegt
und wirksam Bakterien, Viren und Cryptosporidium in Trinkwasser
behandelt. Außerdem
zeigt sich in vor Kurzem an zwei verschiedenen Laboratorien durchgeführten Forschungsprojekten,
dass UV-Dosen von 10 mJ/cm2 oder weniger
in Giardia Reduktionen um 4 log-Stufen erzeugen. Ausgehend von dieser
Forschungsarbeit liegt eine UV-Dosierung von bis zu 120 mJ/cm2 deutlich über der für die Deaktivierung von Giardia
erforderlichen Dosierung. Zusätzliche
in den Anlagen von WaterHealth International enthaltene Bauteile
behandeln wirksam spezielle Probleme, wie beispielsweise Trübung, Silt,
Geschmack, Geruch und diverse Chemikalien.
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Bei
der nach dem Stand der Technik verwendeten UV-Lichtquelle handelt
es sich typischerweise um Niederdruck-Quecksilberdampflampen, mit
denen Wasser wirksam von gefährlichen
und krankheitsverursachenden Viren und Bakterien, einschließlich Darmprotozoen,
wie beispielsweise Cryptosporidium, Giardia und E. coli, gereinigt
werden kann, vorausgesetzt, dass die Lampen in der Anlage in der
richtigen Anzahl und Anordnung vorhanden sind.
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UV-Desinfektionsanlagen
nach dem Stand der Technik arbeiten am besten bei Wassertemperaturen von
etwa 35 bis etwa 110 Grad Fahrenheit (etwa 1,7 bis etwa 43,4 Grad
Celsius), da außergewöhnliche
Kälte oder
Hitze die Leistung der UV-Anlage stören würde. Häusliche Temperaturen liegen
typischerweise in diesem Bereich.
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Anwendungen
für UV-Anlagen
zur Desinfektion von Wasser umfassen Anwendungen aus der Getränkeindustrie,
der Abwasseraufbereitung und der Oberflächenbehandlung. Durch Beispiele
und Erklärungen
hat sich gezeigt, dass heiß abgefüllte Getränke, kalt
abgefülltes
Bier und andere empfindliche Getränke für über die Liner von Verschlüssen eingetragene
Verunreinigungen anfällig
sind. Schimmel bereitet besondere Sorgen, da der Verpackungsleerraum
häufig
geringe Mengen Sauerstoff enthält.
Mitteldruck-UV-Licht deaktiviert Schimmelpilzsporen und vermeidet
somit dieses Problem, wozu auch die Verunreinigung von Getränken bei der
Produktion und Lagerung gehört,
was zu Verfärbung,
ungewöhnlichem
oder schlechtem Geschmack und verkürzter Lebensdauer führen kann.
UV-Desinfektionsanlagen lösen
diese Aufgaben durch die Beseitigung von problematischen Mikroorganismen
ohne die Zugabe von Chemikalien oder Wärme. Die Desinfektion von städtischem
Wasser mit UV-Licht vermeidet Probleme, die bei der Lagerung, dem
Transport und dem Gebrauch von Chemikalien und deren damit verbundene
Regelung entstehen. Mit Hilfe von ultraviolettem Licht kann die
Lebensdauer von Produkten verlängert
werden und können
Verarbeiter die Zugabe von Chemikalien in Waschwasser reduzieren,
ohne dafür
ein hohes Niveau an Desinfektion opfern zu müssen. UV-Licht ermöglicht die
Kontrolle von Mikroorganismen in geschlossenen Wasserkreisläufen ohne
Chemikalien, ohne den Geschmack, die Farbe oder den Geruch des Nahrungsmittels
zu verändern.
Die umweltsichere UV-Desinfektion ist eines der wenigen Wasserbehandlungsverfahren,
welche nicht von einschränkenden
Regelungen, Sorgen seitens der Verbraucher und Umweltgruppen oder
hohen Betriebskosten belastet sind. In
JP-A-63 302940 ist eine
Flüssigkeitsentkei mung
offenbart, die den Einsatz eines zu einer Achterführung, wie
beispielsweise einer optischen Faser, gehörenden Endes mit optischer
Strahlung in einer Rohrleitung und die Bestrahlung mit UV-Licht
umfasst.
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Mit dem Stand der Technik
verbundene Probleme
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Im
Allgemeinen ist die UV-Desinfektion ein sicheres und zuverlässiges Mittel
für die
Desinfektion von Trinkwasser für
den täglichen
Gebrauch, insbesondere angesichts der relativ schnellen, kostengünstigen,
geschmacks- und geruchslosen Erzeugung von behandeltem Wasser. UV-Licht
ist ein von der Weltgesundheitsorganisation genehmigtes Verfahren
für die
Desinfektion von Trinkwasser (Guidelines for Drinking Water Quality,
Bd. 1, World Health Organization, Genf, Schweiz, 1993, S. 135).
Jedoch wird die UV-Desinfektion nicht allgemein für die Langzeitspeicherung
von Wasser empfohlen. Obwohl die UV-Desinfektion den Gehalt an Krankheitserregern
auf einen akzeptablen Wert reduziert, wird eine winzige Menge mikrobieller
Kontaminanten durch die UV-Bestrahlung möglicherweise nicht sterilisiert.
Nach Beendigung der UV-Bestrahlungsbehandlung können Mikroben, die den Sterilisationsprozess überlebt
haben, replikationsfähig
sein. Daher wird für
die Langzeitspeicherung von Wasser und anderen Flüssigkeiten
eine laufende Desinfektionsanlage benötigt. Das üblichste Mittel, einen akzeptablen
Reinheitsgrad im Wasser über
lange Zeiträume
aufrechtzuerhalten, ist die Zugabe von reaktivem Chlor. Leider häufen sich
aber die Anzeichen, dass organisch-chemische Nebenprodukte der chemischen
Desinfektion, insbesondere Nebenprodukte der Chlorierung, wie beispielsweise
Dioxan, für
den Menschen karzinogen und/oder toxisch wirken. Daher stellt die
chemische Desinfektion keine durchführbare Alternative dar, wenn
die chemische Reinheit der Flüssigkeit
wünschenswert
und/oder erforderlich ist. Außerdem
sah sich die EPA vor Kurzem gezwungen, trotz dieses toxikologischen
Beweises die Einschränkungen
für bestimmte
bekanntermaßen
karzinogene Nebenprodukte der Chlorierung, wie beispielsweise Chloroform,
zu lockern. Darüber
hinaus hat sich gezeigt, dass andere Chemikalien, wie beispielsweise
Nitrat-Ionen, einen negativen Einfluss auf die Entwicklung von Kindern
haben.
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In
Anbetracht der Daten, die über
die Toxizität
von organischen und anorganischen Chemikalien und die Lockerung
von Regelungen in Bezug auf die Reinheit von Wasser auftauchen,
haben sich Personen, die daran interessiert sind, ihre Gesundheit
aufrechtzuerhalten, eingehend mit der Bereitstellung von chemisch
reinem Wasser befasst. Die Erzeugung derartigen Wassers erfordert
eine Filtration, um die Chemikalien zu entfernen. Leider müssen auf
dem Filtrationsprinzip beruhende Anlagen häufig ausgetauscht und/oder
ihre Filter gereinigt werden. Außerdem erfordert die Speicherung
derartigen Wassers eine Anlage, mit der die Sterilität über lange
Zeiträume
aufrechterhalten werden kann. Somit besteht eine Nachfrage nach
einer Anlage, die organische Verbindungen aus Trinkwasser leicht
entfernen oder beseitigen und die Sterilität dieses Wassers während der
Speicherung aufrechterhalten kann.
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In
gegenwärtigen
UV-Sterilisationsanlagen wird eine eingetauchte UV-Licht-Anlage
eingesetzt. Eine eingetauchte UV-Licht-Anlage ist nachteilig, da
die Anlage von außen
gereinigt und gewartet werden muss, um die in nahezu allen Anlagen
nach dem Stand der Technik verwendete UV-Lampe oder UV-Lichtquelle
zu schützen.
Diese Reinigung kann zu einer zeitaufwändigen Aufgabe werden, insbesondere
bei der Arbeit mit Mehrlampen-Niederdruck-Anlagen.
Im Betrieb, wenn die UV-Lampen und die umgebenden Quarzhülsen in
dem zu behandelnden Wasser aufgehängt sind, setzen sich auf den
Quarzhülsen
im Wasser vorhandene Mineralien und Verunreinigungen ab und bewirken
dadurch einen Bewuchs auf der Oberfläche der Hülse. Dieser Bewuchs vermindert
die Wirksamkeit der UV-Lampen, da der Bewuchs die Übertragung
des UV-Lichts in das Wasser stört.
Um Zeit zu sparen und einen Bewuchs der Quarzhülse zu verhindern, kann ein
Reinigungsmechanismus für
manuellen oder automatischen Betrieb vorgesehen werden, wie beispielsweise
die Verwendung von Wischergleitern über den Quarzhülsen, um
Ablagerungen zu entfernen, die das von der UV-Lampe abgegebene Licht
blockieren können.
Dies verbessert zwar die Leistung und verkürzt die Wartungszeiten, aber
nur bei schlechter Wasserqualität.
Auf jeden Fall müssen
die in den Quarzhülsen
eingekapselten UV-Lampen wenigstens einmal im Monat zu Reinigungszwecken
entfernt werden, abhängig von
den speziellen Gegebenheiten einer gegebenen Anlage und ihrer Einströmungs- und
Durchflussgeschwindigkeiten. Für
die Reinigung muss die Anlage vorübergehend abgeschaltet oder
auf andere UV-Lampen umgelenkt werden, so dass durch ein Abschalten
der Anlage die Kapazität
vermindert und/oder die Betriebskosten erhöht werden. Es ist ferner nachteilig,
dass UV-Lampen bruchanfällig
sind und bei Tauchanbringung das umgebende Wasser verunreinigen
können.
Gewerblich könnte
nur WaterHealth Inc. überhaupt
die Verwendung von nicht eingetauchten Lampen für UV-Anlagen vorschlagen; diese sind jedoch
in der Werbeliteratur ausdrücklich
auf die alleinige und ausschließliche
Verwendung in Anwendungen beschränkt,
die keine hohe Reinigung benötigen,
z.B. zuvor gereinigtes Trinkwasser, jedoch nicht Oberflächenwasser,
Wasser in Grundwasserleitern, Abwasser oder auf andere Weise nicht
gereinigte Wasserbehandlungsanwendungen.
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In
diesen Anlagen nach dem Stand der Technik werden in dem Speichertank
und den Reaktionsgefäßen keine
optischen Bauteile oder reflektierenden Materialien oder Photokatalysatormaterialien
eingesetzt.
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Somit
besteht ein Bedarf an einer UV-Desinfektionsanlage zur Behandlung
von Flüssigkeiten,
die eine verkürzte
Wartungszeit und geringere Wartungskosten, erhöhte Durchflussgeschwindigkeiten
bei gegebenem Desinfektionsgrad, niedrigere Gesamtkosten für Ausrüstung, Installation
und Anlagen sowie ein geringeres Risiko der Verunreinigung der Flüssigkeit
durch einen Bruch der Ausrüstung
aufweist und in der Lage ist, die Sterilität der Flüssigkeiten über lange Speicherzeiten aufrechtzuerhalten.
Außerdem
besteht ein Bedarf an einer Wasserreinigungsanlage, die organische
Verbindungen und andere chemischen Verunreinigungen in Flüssigkeiten
bei geringerer Wartung entfernen oder abbauen können.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine UV-Desinfektionsanlage für die Behandlung
von Flüssigkeiten,
insbesondere Wasser, und auf ein Verfahren für die Aufbereitung von Trinkwasser,
durch welche die UV-Lichtquelle weniger Wartung und geringere Kosten
als Anlagen und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik benötigt, während gleichzeitig
wenigstens der gleiche Desinfektionsgrad bei einer gegebenen Einströmungs- und
Durchflussgeschwindigkeit derselben vorgesehen ist.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine UV-Desinfektionsanlage
für die
Behandlung von Flüssigkeiten
bereitzustellen, die so ausgelegt und angeordnet ist, dass sie mit
wenigstens einer UV-Lichtquelle
oder UV-Lampe wirksam arbeitet, die nicht in der zu desinfizierenden
Flüssigkeit
eingetaucht ist. Die UV-Lichtquelle ist außerhalb der Flüssigkeit
angeordnet, die dadurch desinfiziert wird, dass sie wenigstens einem
UV-Dosierbereich ausgesetzt ist, wobei das UV-Licht in den Bereich
projiziert wird.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung umfasst die Bereitstellung der
UV-Lichtquelle in einer Steigrohranordnung nach Anspruch 1 und ein
Verfahren nach Anspruch 10. In der Steigrohranordnung ist die UV-Lichtquelle über der
zu behandelnden Flüssigkeit
angeordnet und projiziert einen UV-Dosierbereich nach unten zu der
zu behandelnden Flüssigkeit
und in diese hinein, wobei die Flüssigkeit nach oben zu der UV-Lichtquelle
strömt.
In einer in Reihe geschalteten Kombination mit der Steigrohranordnung
kann die UV-Lichtquelle in einer steigrohrlosen Speichertankanordnung
vorgesehen sein, wobei die UV-Lichtquelle über dem Speichertank oder anderen
Behältern
für die
zu behandelnde Flüssigkeit
angeordnet ist und einen UV-Dosierbereich nach
unten zu der zu behandelnden Flüssigkeit
und in diese hinein projiziert, wobei der Zustand der Flüssigkeit ein
im Wesentlichen statischer und unbeweglicher Zustand ist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen UV-Dosierbereich vorzusehen,
welcher wenigstens einen Bereich, vorzugsweise vier Bereiche umfasst,
wobei ein Bereich einen zwischen der UV-Lichtquelle und der zu behandelnden
Flüssigkeit
befindlichen Grenzflächenbereich
und ein anderer Bereich einen in dieser Flüssigkeit befindlichen Reaktionsbereich
umfasst. Der Reaktionsbereich kann durch eine Grenzflächenplatte
gebildet sein, die katalytische Eigenschaften zur Verstärkung erwünschter
Reaktionen besitzt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1A zeigt
eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik in Seitenansicht.
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1B zeigt
eine weitere Vorrichtung nach dem Stand der Technik in Seitenansicht.
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2 zeigt
eine gemäß der vorliegenden
Erfindung gebaute UV-Desinfektionsanlage
in einer Steigrohranordnung in Seitenansicht.
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3 zeigt
die in 2 gezeigte Ausgestaltung in einer Explosionsseitenansicht.
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4 zeigt
eine UV-Desinfektionsanlage in einer Ausgestaltung, die in Reihe
mit der Steigrohranordnung nach der vorliegenden Erfindung kombiniert
werden kann.
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5 zeigt
die in 4 gezeigte Ausgestaltung in einer Explosionsseitenansicht.
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6 zeigt
die in einer Steigrohranordnung erzeugten UV-Dosierbereiche.
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7 zeigt
die UV-Dosierbereiche, die in einer Ausgestaltung erzeugt werden,
welche in Reihe mit der Steigrohranordnung nach der vorliegenden
Erfindung kombiniert werden kann.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausgestaltungen
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In
der nachfolgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen
gleiche oder entsprechende Teile in der gesamten Vielzahl der Ansichten.
Ebenso sind in der nachfolgenden Beschreibung Begriffe wie „nach vorne", „nach hinten", "vorne", „hinten", „rechts", „links", „nach oben", „nach unten" und ähnliche
Begriffe als Gebrauchsworte zu verstehen und nicht als einschränkende Begriffe
auszulegen.
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Unter
allgemeiner Bezugnahme auf die Zeichnungen dienen die Abbildungen
dem Zweck, eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zu beschreiben;
sie sollen die Erfindung nicht auf diese beschränken. 1A zeigt
eine UV-Flüssigkeitsdesinfektionsanlage
nach dem Stand der Technik, die eine eingetauchte UV-Lampenanordnung
PA16 umfasst, die von der zu behandelnden Flüssigkeit umströmt wird.
Die Flüssigkeit tritt
durch einen Einlass PA12 ein, umströmt die UV-Lampe PA16 und verlässt die
Anlage durch einen Auslass PA14. 1B zeigt
eine UV-Flüssigkeitsdesinfektionsanlage
nach dem Stand der Technik, die eine eingetauchte UV-Lampenanordnung
PA20 umfasst, welche von einer im Wesentlichen statischen oder nicht-strömenden Flüssigkeit
PA24 umgeben ist. Zu den in dem vorstehenden Abschnitt über den
Hintergrund der Erfindung dargelegten Nachteilen gehören lange
Wartungszeiten und hohe Wartungskosten, niedrige Durchflussgeschwindigkeiten
bei gegebenem Desinfektionsgrad, hohe Gesamtkosten für Ausrüstung, Installation und
Anlage sowie ein hohes Risiko der Verunreinigung der Flüssigkeit
bei einem Bruch der Ausrüstung.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf eine Ultraviolettdesinfektionsanlage (UV-Anlage) und ein Ultraviolettverfahren
für die
Behandlung von Flüssigkeiten,
umfassend eine Anordnung und eine Ausgestaltung zur wirksamen Funktion
mit wenigstens einer UV-Lichtquelle oder UV-Lampe, welche nicht
in die Flüssigkeit
eingetaucht ist. Die nicht eingetauchte Anordnung nach der vorliegenden
Erfindung ist vorteilhaft, indem sie die mit einem Bruch der Lampe
und/oder des Lampengehäuses
und einem Bewuchs des Lampengehäuses
verbundenen Probleme verhindert. Außerdem verhindert die nicht
eingetauchte Anordnung nach der vorliegenden Erfindung die mit extremen
Temperaturen in der Flüssigkeit
verbundenen Probleme. Leuchtstofflampen, einschließlich UV-Lampen, verlieren
bei niedrigen Temperaturen eine signifikante Menge an Leistung.
Somit ermöglicht
eine nicht eingetauchte Anlage, welche die Lam pe von der zu behandelnden
Flüssigkeit
trennt, dass die Temperatur der Lampe bei optimaleren Werten aufrechterhalten
werden kann, ohne dass auch die Flüssigkeit gekühlt oder
erwärmt
werden muss. Somit desinfiziert diese Anlage extreme Umgebungen,
wie beispielsweise Gefrieranlagen, Kühlapparate, Heißwasserbereiter
und dergleichen, auf wirksamere Weise.
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Steigrohranordnung
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Die
UV-Lichtquelle kann in einer Steigrohranordnung nach einer bevorzugten
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die in 2 allgemein
mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet ist, vorgesehen sein,
wobei die Flüssigkeit
aus einem Vorratsbehälter
oder Speichertank 110 aus- und über ein Rohr oder einen Auslass 120 in
die Steigrohranordnung 200 eintritt und durch dieselbe
geleitet wird, bevor sie zu Verbrauchszwecken oder zur Endverwendung
aus dem Rohr oder Auslass 140 abgelassen wird. Vorzugsweise
handelt es sich bei der Flüssigkeit
um vorbehandeltes Wasser, welches bereits desinfiziert und gereinigt
worden ist und möglicherweise
eine geringe Gesamtmenge an gelösten
Feststoffen enthält.
Ferner umfasst die Steigrohranordnung, die in 3 allgemein
mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnet ist, wenigstens eine
UV-Lichtquelle 310. Diese UV-Lichtquelle 310 bildet
einen Teil einer Lampeneinrichtung, die in 5 allgemein
mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet ist. Die Lampeneinrichtung 300 besteht
aus einem Gehäuse 320,
in welches die UV-Lichtquelle 310 eingekapselt ist, UV-Lichtstrahlen 330,
wenigstens einem optischen Bauteil 340 und einen Ausgang 350 für die Abgabe
von aus dem Gehäuse
austretenden UV-Lichtstrahlen.
Unter Bezugnahme auf 3 treten die abgegebenen UV-Lichtstrahlen 350 über der
zu behandelnden Flüssigkeit 210 aus
dem Gehäuse
aus, wobei diese Flüssigkeit
in die Steigrohranordnung aus dem Auslassrohr 120 des Speichertanks oder
Vorratsbehälters 110 eintritt
und zwangsgeführt
durch das innenliegende Rohr 220 der Steigrohranordnung 200 nach
oben zu den abgegebenen UV-Lichtstrahlen 350 geleitet wird,
die nach unten zu der Oberfläche 230 der
Flüssigkeit
und in die zu behandelnde Flüssigkeit 210 projiziert
werden, wobei wiederum die Flüssigkeit
nach oben zu der UV-Lichtquelle 310 strömt. Oben an dem innenliegenden
Rohr 220 kann wenigstens eine Grenzflächenplatte 240 angebracht
sein, so dass die Zeit, in der die abgegebenen UV-Lichtstrahlen 350 auf die
Flüssigkeit 210 einwirken,
verlängert
wird. Die wenigstens eine Grenzflächenplatte 240 enthält eine Öffnung oder Öffnungen 250,
die ermöglichen,
dass die Flüssigkeit
nach oben durch das innenliegende Rohr 220 ansteigt und
oben an dem Rohr austritt. Die Flüssigkeit überquert dann die Oberfläche 260 der
Grenzflächenplatte 240 bis
zu dem Plattenrand 270, wo sie in die äußere Kammer 280 der
Steigrohranordnung absinkt. Die Flüssigkeit wird durch eine Bodenplatte 290,
die den Außenbereich
des innenliegenden Rohrs 220 fest mit dem Innenbereich
des äußeren Rohrs 295 verbindet,
daran gehindert, in das innenliegende Rohr 220 zurückzukehren.
Die Flüssigkeit
tritt dann durch das Rohr oder den Auslass 140 aus der
Steigrohranordnung 200 aus. Die UV-Lichtstrahlen 330 können von
einer UV-Lichtquelle oder einer UV-Lampenanlage 310, welche optische Bauteile
umfasst, nach unten projiziert werden. Diese optischen Bauteile
können
Reflektoren, Verschlüsse, Linsen,
Trennvorrichtungen, Fokussiervorrichtungen, Spiegel, starre und
elastische Lichtführungen,
Homogenisatoren oder Mischstäbe,
Verteiler- und andere Anschlussstücke, Filter, Gitter, Diffraktionsvorrichtungen, Farbräder und
dergleichen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Diese
optischen Bauteile befinden sich innen in der Lampenanlage und sind
zwischen der UV-Lichtquelle oder UV-Lampe 310 und den abgegebenen
UV-Lichtstrahlen 350 der Lampeneinrichtung 300 angeordnet
und fokussieren, steuern und kontrollieren dadurch die abgegebenen
Lichtstrahlen 350, die die Flüssigkeit 210 bestrahlen
und alle in der Flüssigkeit 210 existierenden
Mikroorganismen abtöten.
Die abgegebenen UV-Lichtstrahlen 350 bestrahlen die Flüssigkeit 210 und
können
auch durch diese übertragen
werden. Abgegebene UV-Lichtstrahlen 350,
die durch die Flüssigkeit übertragen
werden und auf die reflektierenden Innenflächen (ohne Abbildung) der Bestandteile
der Steigrohranordnung treffen, werden zurück in die Flüssigkeit
reflektiert, wo sie auf Mikroorganismen treffen können. Die
Reflexion der abgegebenen UV-Lichtstrahlen 350 zurück in die
Flüssigkeit über die
reflektierenden Innenflächen
der Bestandteile der Steigrohranordnung erhöht die Abtötungsleistung der Steigrohranordnungsanlage 200.
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Darüber hinaus
kann die Grenzflächenplatte
derartige katalytische Eigenschaften besitzen, dass in der Nähe der Grenzflächenplatte
bestimmte Reaktionen katalysiert werden. Beispielsweise kann in
der Grenzflächenplatte,
welche aus Glas oder einem anderen geeigneten Material besteht,
TiO2 enthalten sein. Wird eine derartige
Platte bei katalysatoraktivierenden Wellenlängen bestrahlt, werden Fettsäuren und
andere organische Chemikalien chemisch reduziert, was zu einer Zerlegung
in kleinere flüchtige
Produkte führt,
wie beispielsweise Methan, Ethan usw. Außerdem werden Nitrat-Ionen
in einer derartigen Anlage zu elementarem Stickstoff reduziert.
Somit verringert die Aufnahme von TiO2 in
die Grenzflächenplatte
mit nachfolgender UV-Bestrahlung
den Gehalt an zwei potentiellen humanen Toxinen – den organischen Chemikalien
und den Nitrat-Ionen.
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Zudem
kann die Grenzflächenplatte
mittels einer nicht-planen Fläche,
einer abgestuften Fläche
oder einer nach unten geneigten Fläche oder dergleichen Durchwirbelungen
oder Flüssigkeitskaskaden
bewirken. Die Erzeugung von Durchwirbelungen ist besonders vorteilhaft,
wenn die Flüssigkeit
trübe ist.
Trübung,
die als der Zustand des Wassers zu verstehen ist, in dem dieses
durch aufgewirbelte Sedimente wolkig ist, stört die Übertragung der UV-Energie und
verringert die Desinfektionswirkung der UV-Licht-Desinfektionsanlage. Somit bewirken
Durchwirbelungen, indem sie in dem Partikel eine Drehung hervorrufen,
dass alle Seiten eines Partikels dem UV-Licht ausgesetzt sind. Außerdem verringern
die photokatalytischen Eigenschaften der Anlage die Trübung, indem
sie die für
die Trübung
verantwortlichen Verbindungen oder Partikel abbauen. Ferner erhöhen die
reflektierenden Bereiche der Oberflächen der Anlage die Wirksamkeit
der Anlage, wenn diese unter trüben
Bedingungen betrieben wird, weil das UV-Licht auf die verschiedenen
Seiten eines Partikels auftreffen kann, so dass sich das Partikel
drehen muss, wodurch die Lichtundurchlässigkeit des Partikels überwunden wird.
Ein weiterer Punkt, der die Leistung bei trüben Bedingungen verbessert,
ist die hohe UV-Lichtintensität der
Anlage. Durch die hohe UV-Lichtintensität können Schwankungen
der Trübung
leichter kompensiert werden als bei Anlagen niedrigerer Intensität. Somit
zeichnet sich die bevor zugte Ausgestaltung durch mehrere Eigenschaften
aus, die ihre Leistung unter trüben
Bedingungen verbessern.
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In
Fällen,
in denen der Eisen- oder Mangangehalt im Wasser hoch ist und das
Wasser getrübt
ist und/oder organische Verschmutzungen enthält, muss das Wasser vor Eintritt
in das UV-Desinfektionsstadium gewöhnlich vorbehandelt werden,
weil Ablagerungen auf den in der Quarzhülse eingekapselten und eingetauchten
UV-Lampen, die sich in dem zu behandelnden Wasser befinden, die Übertragung
des UV-Lichts stören
und dadurch die UV-Dosis verringern und die Anlage unwirksam machen.
Nach dem Stand der Technik wird typischerweise eine UV-Reinigung
in Verbindung mit Aktivkohlefiltration, Umkehrosmose und mit bestimmten
Chemikalien eingesetzt, um den Bewuchs zwischen den Reinigungen
der die UV-Lampen umgebenden Quarzhülsen zu reduzieren. Somit besteht
ein weiterer Vorteil der bevorzugten Ausgestaltung darin, dass eine
Trübung
nicht verringert werden muss, damit die Anlage ordnungsgemäß funktioniert,
und dass die Anlage somit die Notwendigkeit einer teuren Vorbehandlung
der Flüssigkeit
zur Verringerung der Trübung überflüssig macht.
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Vorteilhafterweise
ist das desinfizierte gereinigte Wasser, welches die Gesamtanlage
durch die Steigrohranordnungsvorrichtung verlässt, vollständig frei von Mikroorganismen,
ohne dass Chemikalien oder andere Zusätze zugegeben werden müssen, die
die Gesamtmenge der in dem Wasser gelösten Feststoffe erhöhen würden. Somit
verändert
der Desinfektionsvorgang nach der vorliegenden Erfindung weder den
Geschmack, noch den pH-Wert, noch den spezifischen Widerstand noch
andere Eigenschaften des austretenden Wassers.
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Bei
einem weiteren Faktor in der Auslegung einer UV-Desinfektionsanlage und eines Verfahrens
nach der vorliegenden Erfindung, bei der eine Steigrohranordnung
Verwendung findet, werden zwei Hauptbauteile integriert, zu denen
die nicht eingetauchte UV-Lichtquellenanlage und die hydraulische
Anlage gehören.
Die Lichtquellenanlage umfasst ein Gehäuse, welches eine UV-Lichtquelle
oder UV-Lampe umgibt und stützt,
die wenigstens ein optisches Bauteil aufweist, das so positioniert
und angeord net ist, dass die UV-Lichtstrahlen zu einem Ausgang und
durch diesen geleitet werden, wodurch die UV-Lichtstrahlen in eine
Flüssigkeit
eingeleitet werden, um die Flüssigkeit
zu desinfizieren.
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Die
hydraulische Anlage umfasst ein Hydraulikrohr und eine Pumpenanlage,
um die Flüssigkeit zwangsgeführt nach
oben durch das Rohr und zu der Lichtquelle bzw. den Lichtquellen
zu leiten. Die vorliegende Erfindung umfasst die Verwendung von
hydraulischen Anlagen, welche eine Transport- oder Pumpenanlage und wenigstens eine
Grenzflächenplatte
aufweisen. Die hydraulische Anlage erfüllt wenigstens drei Funktionen:
Sie führt
einströmendes
Wasser zu einer Grenzfläche
und liefert einen Durchfluss zu mindestens einer Grenzflächenplatte
und lässt
das behandelte einströmende
Wasser in einen Vorratsbehälter
oder eine Wasseranlage ab. Die Steigrohranordnungsanlage kann Schnellanschlusslampen
und Gehäuse
mit einer Überwachungs-
und Anzeigevorrichtung umfassen, mit der der Ausfall einer Lampe
angezeigt wird. Jedes Steigrohr in einer Steigrohranordnungsanlage
kann eine einzelne dedizierte Lampe und ein optisches System umfassen,
wobei zwischen benachbarten Lampen eine Überlappung vorhanden ist, um
eine tote Zone zu beseitigen. Jedes Steigrohr in der Steigrohranordnungsanlage
kann ferner ein Ventil umfassen, welches das Steigrohr bei einem
Ausfall abschaltet.
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Steigrohrlose Anordnung
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In
Kombination mit der Steigrohranordnungsanlage ist eine steigrohrlose
Anordnung vorteilhaft gebaut und ausgelegt, um eine UV-Desinfektion
aus einer nicht eingetauchten UV-Lichtquelle für einen Vorratsbehälter, einen
Speichertank oder einen anderen Speicher für nicht-fließendes Wasser
bereitzustellen, unabhängig von
der Länge
der Verweilzeit im Wasser. Vorzugsweise handelt es sich bei der
Flüssigkeit
um vorbehandeltes Wasser, welches bereits desinfiziert und gereinigt
worden ist und möglicherweise
eine geringe Gesamtmenge an gelösten
Feststoffen enthält.
Diese Vorbehandlung kann in einer Steigrohranordnungsanlage stattgefunden haben,
welche eine katalytische Platte zur Verringerung von organischen
und anorganischen Verunreinigungen in dem Wasser sowie zur Desinfektion
des Wassers enthält.
Wie in 4 und 5 veranschaulicht, handelt es
sich bei der allgemein mit dem Bezugszeichen 400 bezeichneten
vorliegenden Erfindung um eine steigrohrlose Anordnung, welche wenigstens
eine UV-Lichtquelle 310 umfasst. Diese UV-Lichtquelle 310 bildet
Teil einer Lampeneinrichtung, die in 5 allgemein
mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet ist. Die Lampeneinrichtung 300 besteht
aus einem Gehäuse 320,
in dem die UV-Lichtquelle 310 eingekapselt ist, UV-Lichtstrahlen 330,
wenigstens einem optischen Bauteil 340 und aus dem Gehäuse austretenden
abgegebenen UV-Lichtstrahlen 350.
Ferner ist die Lichtquelle mit einem Timer verbunden, der die Aktivierung
und/oder Deaktivierung der Lichtquelle zu einem vorgegebenen Zeitpunkt
erlaubt, z.B. nachdem die Lichtquelle für eine Zeitdauer aktiviert
oder AN war, die ausreicht, um den gesamten Vorratsbehälter oder
Tank zu sterilisieren, und nachdem die Lichtquelle über einen
Zeitraum aktiviert oder AN war. Unter Bezugnahme auf 4 treten
die abgegebenen UV-Lichtstrahlen 350 aus dem Gehäuse 320 über der
zu behandelnden im Wesentlichen statischen Flüssigkeit 212 aus,
wobei diese Flüssigkeit
in einem Speichertank oder Vorratsbehälter 112 zurückgehalten
und nicht zwangsgeführt
zu den abgegebenen UV-Lichtstrahlen 350 geleitet wird,
welche nach unten zu der Oberfläche 232 der
Flüssigkeit
und in die zu behandelnde Flüssigkeit 212 hinein
projiziert werden, wobei die Flüssigkeit 212 wiederum
nicht zwangsgeführt
zu der UV-Lichtquelle 310 geleitet wird. Die abgegebenen
UV-Lichtstrahlen 350 können
von einer UV-Lichtquelle oder einer UV-Lampenanlage 300,
welche optische Bauteile wie zuvor beschrieben umfasst, nach unten
projiziert werden. Diese optischen Bauteile können Reflektoren, Verschlüsse, Linsen,
Trennvorrichtungen, Fokussiervorrichtungen, Spiegel, starre und
elastische Lichtführungen, Homogenisatoren
oder Mischstäbe,
Verteiler- und andere Anschlussstücke, Filter, Gitter, Diffraktionsvorrichtungen,
Farbräder
und dergleichen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Diese
optischen Bauteile befinden sich innen in der Lampenanlage und sind
zwischen der UV-Lichtquelle oder UV-Lampe 310 und den abgegebenen
UV-Lichtstrahlen 350 der Lampenanlage 300 angeordnet
und fokussieren, steuern und kontrollieren dadurch die abgegebenen
Lichtstrahlen 350, die die Flüssigkeit 212 bestrahlen
und alle in der Flüssigkeit 212 existierenden
Mikroorganismen abtöten.
Die abgegebenen UV- Lichtstrahlen 350 bestrahlen
die Flüssigkeit 212 und
können
auch durch diese übertragen
werden. Abgegebene UV-Lichtstrahlen 350, die durch die Flüssigkeit übertragen
werden und auf die reflektierende Innenfläche des Speichertanks oder
Behälters 112 treffen,
werden zurück
in die Flüssigkeit
reflektiert, wo sie auf Mikroorganismen treffen können. Die
Reflexion der abgegebenen UV-Lichtstrahlen 350 zurück in die
Flüssigkeit über die
reflektierende Innenfläche
des Speichertanks oder Behälters 112 erhöht die Abtötungsleistung
der steigrohrlosen Anordnungsanlage 400.
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Vorteilhafterweise
sind in beiden Anlagen mehrere UV-Dosierbereiche eingerichtet. In
der Steigrohranordnungsanlage ist, wie am besten aus 3 und 5 ersichtlich
ist, die UV-Lichtquelle 310 innerhalb einer UV-Lichtquellenanlage 300,
welche optische Bauteile wie zuvor beschrieben umfasst, über der
zu behandelnden Flüssigkeit
angeordnet und projiziert einen UV-Dosierbereich nach unten zu der
zu behandelnden Flüssigkeit
und in diese hinein, wobei die Flüssigkeit beginnend bei dem
Einströmungspunkt 120 senkrecht
durch das innenliegende Rohr 220 zu der UV-Lichtquelle 310 strömt und dann
das innenliegende Rohr 220 durch die Grenzflächenplatte 240 verlässt. Die
wenigstens eine UV-Lichtquelle ist über der zu behandelnden Flüssigkeit angeordnet
und projiziert abgegebene UV-Lichtstrahlen 350 nach unten
zu der zu behandelnden Flüssigkeit und
in diese hinein, wobei die Flüssigkeit
nach oben zu der UV-Lichtquelle strömt. In der in 6 allgemein mit
dem Bezugszeichen 500 bezeichneten Steigrohranordnungsanlage
sind mehrere UV-Dosierbereiche eingerichtet. Bei dem ersten Bereich
handelt es sich um den am Ausgang der Lichtquellenanlage befindlichen UV-Dosierbereich 510,
welcher an der Grenzfläche
zwischen der Lichtquellenanlage und der Luft erfolgt. Bei dem nächsten Bereich
handelt es sich um den in der Luft befindlichen UV-Dosierbereich 520,
welcher gerade unterhalb der UV-Lichtquelle und gerade oberhalb
des Wassers und des wenigstens einen Grenzflächenbereiches oder der wenigstens
einen Grenzflächenplatte 240 erfolgt.
Bei dem nächsten
Bereich handelt es sich um den Dampfbereich 525, welcher
gerade über
der Wasseroberfläche
erfolgt. Bei dem nächsten
Bereich handelt es sich um den in der Grenzflächenzone befindlichen UV-Dosierbereich 530,
welcher an der Schnittstelle zwischen dem Wasser und dem wenigstens
einen Grenzflächenbereich
oder der wenigstens einen Grenzflächenplatte 240 erfolgt.
Die wenigstens eine Grenzflächenplatte
dient der Bereitstellung eines Reaktionsbereichs für die UV-Desinfektion
von über
die Platte strömender
Flüssigkeit
sowie der Bereitstellung weiterer Behandlungsmittel zum Ausgleichen
des pH-Werts, Beeinflussen der Ausströmungschemie, Bereitstellen
eines Katalysators und dergleichen. Beispielsweise kann in der Grenzflächenplatte
TiO2 enthalten sein, um eine Reduktion von
Ionen und Verbindungen zu bewirken. TiO2 wird
insbesondere zur Reduktion von Nitraten und Nitriten zu elementarem
Stickstoff eingesetzt. Eine derartige Behandlung ist wünschenswert,
da Nitrate in Zusammenhang mit Entwicklungsfehlern bei Kindern gesetzt
worden sind. Außerdem
baut TiO2, welches in Glas oder anderem
geeigneten Material enthalten ist und bei katalysatoraktivierenden
Wellenlängen
abgestrahlt wird, Fettsäuren
und außen
an das Glas angrenzende andere organische Verbindungen ab. Somit
kann eine derartige Platte verwendet werden, um in Wasser vorhandene
organische Verunreinigungen abzubauen. Darüber hinaus können katalysatoraktivierende
Wellenlängen
eine Vielzahl von Reaktionen katalysieren, und die Verwendung dieser
Wellenlängen
mit einem der vielen erhältlichen
chemischen Katalysatoren oder Kombinationen davon erzeugt zahlreiche
mögliche
katalytische Kombinationen, mit denen eine riesige Menge erwünschter Reaktionen
katalysiert wird. Der Photokatalysator kann photoaktivierte Halbleiter
umfassen, wie beispielsweise Titanoxid (TiO2 mit
einer Photoaktivierungswellenlänge
von höchstens
388 nm), Wolframoxid (WO2 mit einer Photoaktivierungswellenlänge von
höchstens
388 nm), Zinkoxid (ZnO mit einer Photoaktivierungswellenlänge von
höchstens
388 nm), Zinksulfid (ZnS mit einer Photoaktivierungswellenlänge von
höchstens
344 nm) und Zinnoxid (SnO2 mit einer Photoaktivierungswellenlänge von
höchstens
326 nm). Neben diesen Katalysatoren sind andere Katalysatoren, wie
beispielsweise PtTiO2, bekannt.
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Als
Photokatalysator kann vorzugsweise TiO2 angewendet
werden, wenn man bedenkt, dass seine Aktivierungsleistung hoch ist,
der Katalysator eine lange Lebensdauer mit hoher Haltbarkeit hat
und seine Sicherheit für
Humananwendungen bescheinigt ist, da TiO2 in
Kosmetik- und Nahrungsmit telanwendungen bereits seit langer Zeit
sicher im Einsatz ist. Außerdem
kann die Grenzflächenplatte
als Biofilter dienen und Enzyme oder Bakterien enthalten, die mit
in der Flüssigkeit
vorhandenen Substraten reagieren.
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Bei
dem letzten in 6 gezeigten Bereich handelt
es sich um den eingetauchten UV-Dosierbereich 540, welcher
einen variablen UV-Dosierbereich
erzeugt, der mit wachsender Entfernung von der UV-Lichtquelle an Wirksamkeit
nachlässt.
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Bei
der im Allgemeinen statischen steigrohrlosen Anordnung unterscheiden
sich die Bereiche von den für
die Steigrohranordnungsanlage beschriebenen Bereichen. In der im
Allgemeinen statischen steigrohrlosen Anlage, welche in 7 allgemein
mit dem Bezugszeichen 600 bezeichnet ist, handelt es sich
bei dem ersten Bereich um den an dem Ausgang der Lichtquellenanlage
befindlichen UV-Dosierbereich 610, welcher an der Grenzfläche zwischen
der Lichtquellenanlage und der Luft erfolgt. Bei dem nächsten Bereich
handelt es sich um den in der Luft befindlichen UV-Dosierbereich 620,
welcher gerade unterhalb der UV-Lichtquelle und gerade oberhalb
der Wasseroberfläche 230 erfolgt.
Bei dem nächsten
Bereich handelt es sich um den Dampfbereich 630, welcher
gerade über
der Wasseroberfläche
erfolgt. Bei dem letzten Bereich handelt es sich um den eingetauchten
UV-Dosierbereich 640, welcher einen variablen UV-Dosierbereich
erzeugt, der mit wachsender Entfernung von der UV-Lichtquelle an
Wirksamkeit nachlässt.
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Bei
allgemeiner Betrachtung der UV-Lichtquelle und der Anordnung derselben
umfasst die bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
wenigstens ein optisches Bauteil, welches zwischen der UV-Lichtquelle
und dem Abgabepunkt der UV-Lichtquellenanlage angeordnet ist. Vorteilhafterweise
wird es der Anlage durch die Verwendung von optischen Bauteilen
möglich,
die Intensität,
Fokussierung und Steuerung der UV-Lichtstrahlen am Ausgang bei einer
beliebigen gegebenen UV-Lichtquelle oder UV-Lampe zu maximieren. Außerdem können optische
Bauteile, die Reflektoren, Verschlüsse, Linsen, Trennvorrichtungen,
Spiegel, starre und elastische Lichtführungen, Homogenisatoren oder
Mischstäbe,
Verteiler- und andere An schlussstücke, Filter, Farbräder und
dergleichen umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind, kombiniert eingesetzt
werden, um die gewünschte
Steuerung und Abgabe zu erzielen, wie es in den
US-Patenten Nr. 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 und den Parallelanmeldungen
09/523,609 und 09/587,678 niedergelegt ist, deren gemeinsamer Eigentümer der
Inhaber der vorliegenden Erfindung ist und die hiermit in ihrer
Gesamtheit durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen
sind. Es können
außerdem
optische Bauteile, wie beispielsweise Gitter, dichroitische Filter,
Fokussiervorrichtungen, Gradientenlinsen und achsabweichende Reflektoren
Verwendung finden.
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Was
Lichtführungen
betrifft, so kann es sich bei denselben um faseroptische Leitungen
handeln, die aus Acryl-, Glas-, Flüssigkeits-, Hohl- oder Kernmantelfasern
oder Kombinationen davon bestehen.
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Was
Linsen betrifft, so werden mehrere Ausgestaltungen ins Auge gefasst.
Es können
Abbildungslinsen, wie beispielsweise Parabollinsen, und Nicht-Abbildungslinsen,
wie beispielsweise Gradientenlinsen, verwendet werden. Eine Gradientenlinse
sammelt Licht durch eine Sammelöffnung
und fokussiert es auf eine Fläche,
die kleiner als die Fläche
der Sammelöffnung
ist. Diese Konzentration wird erreicht, indem der Brechungsindex
der Linse entlang der Achse der Lichtübertragung auf eine kontinuierliche
oder halbkontinuierliche Weise derart verändert wird, dass das Licht
sozusagen in einem „Trichter" durch Brechung auf
die Fokussierungsfläche
gerichtet wird. Ein Beispiel für
die Technologie der Gradientenlinsen ist die von der Solaria Corporation hergestellte
Gradium
®-Linse.
Alternativ findet ein ringförmiger
Reflektor Verwendung, wie er in dem
US-Patent Nr.
5,836,667 beschrieben ist. In dieser Ausgestaltung ist
eine UV-Strahlungsquelle, wie beispielsweise eine Bogenlampe, an
einem Punkt positioniert, der sich nicht auf der optischen Achse
einer konkaven ringförmigen reflektierenden
Fläche
befindet. Der konkave Primärreflektor
fokussiert die von der Quelle kommende Strahlung an einem achsabweichenden
Bildpunkt, der sich nicht auf der optischen Achse befindet. Durch
die Verwendung einer ringförmigen
reflektierenden Fläche
wird die Effizienz der Sammlung auf ein kleines Ziel, wie beispielsweise
eine optische Faser, im Vergleich zu einer sphärischen reflektierenden Fläche verbessert,
indem durch die achsabweichende Geometrie verursachte Aberrationen
wesentlich verringert werden. Ein zweiter konkaver Reflektor ist
dem ersten Reflektor gegenüber
angeordnet, um weiterhin den durch ein kleines Ziel gesammelten
Gesamtstrom zu verbessern.
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Außerdem können mehrere
Reflektoren für
eine Lampe verwendet werden. Beispielsweise können, wie in den
US-Patenten Nr. 5,706,376 und
5,862,277 gelehrt, Doppelreflektoren
oder drei und mehr Reflektoren in die bevorzugte Ausgestaltung integriert
werden. Bei diesen Reflektoren kann es sich auch um Trennreflektoren
und/oder Kaskadenreflektoren handeln.
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Im
Allgemeinen sind die durchlässigen
optischen Bauteile UV-durchlässig und
die reflektierenden optischen Bauteile sind UV-reflektierend. Außerdem kann
jedes der optischen Bauteile, einschließlich des Gehäuses, aus
Acryl oder ähnlichen
Materialien hergestellt sein, die unter der Einwirkung von UV-Licht
im Laufe der Zeit abgebaut werden. Diese Bauteile können ausgetauscht
werden, sobald ihre Leistung auf einen nicht mehr annehmbaren Grad
abgesunken ist.
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Vor
allem kann jede beliebige Anzahl von Lampen, einschließlich Niederdruck-,
Mitteldruck-, Hochdruck- und Ultrahochdrucklampen, welche aus verschiedenen
Materialien hergestellt sind, wobei z.B. Quecksilber (Hg) das gebräuchlichste
ist, in der Anlagenanordnung nach der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, abhängig
von den Flüssigkeits-
oder Einströmungseigenschaften
und Durchflussgeschwindigkeiten durch die Anlage. Während Hochdruck-
und Ultrahochdrucklampen bisher in Anlagen nach dem Stand der Technik noch
nicht gewerblich genutzt worden sind, hauptsächlich wegen der mit ihnen
verbundenen niedrigen Energieausbeute und der fehlenden Fähigkeit
von Auslegungs- und Anordnungsformeln nach dem Stand der Technik,
Hochdruck-UV-Lampen zu umfassen, eignet sich ferner die vorliegende
Erfindung vorteilhafterweise zur Aufnahme von Mitteldruck-, Hochdruck-
und Ultrahochdrucklampen, die jeweils aus Metall, Halogen und kombiniertem
Halogenmetall bestehen können.
Es können
außerdem
Kalibrier-Spektrallampen, elektrodenlose Lampen, Stroboskoplampen
und Impulslampen verwendet werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung nach der vorliegenden Erfindung
wird insbesondere eine Kalibrier-Stabspektrallampe eingesetzt. Diese
Lampen sind kompakt und bieten eine schmale intensive Strahlung. Ihre
durchschnittliche Intensität
ist konstant und reproduzierbar. Im Vergleich zu anderen Lampen
mit hoher Wattleistung haben sie eine längere Lebensdauer. Hg-(Ar-)Lampen
dieses Typs sind im Allgemeinen unempfindlich gegenüber Temperaturen
und benötigen
nur eine zweiminütige
Aufwärmzeit,
bis der Quecksilberdampf die Entladung dominiert, und danach 30
Minuten bis zur vollständigen
Stabilisierung.
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In
der bevorzugten Ausgestaltung nach der vorliegenden Erfindung wird
eine Hg-(Ar-)UV-Lampe, die derzeit im Handel bei ORIEL Instruments
erhältlich
ist, verwendet. Die Hg-(Ar-)Lampe von ORIEL, Modell 6035, gibt UV-Strahlung
mit 254 nm ab. Wird die Lampe mit 15 mA und Gleichstromversorgung
betrieben, gibt sie in einer Entfernung von 25 cm von der Quelle
bei 254 nm Strahlung mit 74 Mikrowattsekunden pro Quadratzentimeter
ab.
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In
der Anlage nach der vorliegenden Erfindung werden UV-Lampen verwendet,
die über
dem Flüssigkeits-
oder Wasserstrom angeordnet sind und arbeiten, also nicht in dem
Flüssigkeitsstrom
eingetaucht sind, wie dies bei allen Anlagen nach dem Stand der
Technik der Fall ist, die für
den Gebrauch in allen Wasserbehandlungsanwendungen ausgelegt sind.
Bei dieser Anlage kann die Anzahl der Lampen, die für die Behandlung
bei einer gegebenen Einströmungs-
und Durchflussgeschwindigkeit erforderlich ist, um vielleicht einen Faktor
von zehn reduziert werden, was sich als ein großer Vorteil bei praktischen
Anwendungen erweist. Außerdem
sind die Lampen nicht bewuchsanfällig,
da sie nicht in die zu desinfizierende Flüssigkeit eingetaucht werden.
Darüber
hinaus ermöglicht
die Auslegung der vorliegenden Erfindung eine signifikante Senkung
der Wärme
in dem Wasser. Ferner sind Wartung und Instandhaltung beträchtlich
vereinfacht. Ferner umfasst bei der Steigrohranordnung nach der
vorliegenden Erfindung die Reaktorauslegung, welche eine Anzahl
von senkrecht ausgerichteten zylindrischen Röhren umfassen würde, eine
hydraulische Anlage mit Pumpenausrüstung und einem hohen Grad
an Pumpleistung. Weiterhin handelt es sich bei der vorliegenden
Erfindung um eine optische UV-Lichtquellenanlage für den Gebrauch
in einer Anlage zur Desinfektion von Flüssigkeiten. Als solche sind
herkömmliche
mathematische Modelle, die für
die Bestimmung der Energieausbeute für die vorliegende Erfindung
verwendet werden, unzulänglich
und nicht durchführbar.
Somit stellt angesichts der Verwendung von mit der UV-Lichtquelle
verbundenen optischen Bauteilen, der Verwendung von Mittel- bis
Ultrahochdruck-UV-Lampen und der Einführung wenigstens eines UV-Dosierbereichs
außerhalb
des zu behandelnden Wassers die vorliegende Anlage einen revolutionären Ansatz
für die
Auslegung, den Bau und den Betrieb einer UV-Flüssigkeitsdesinfektionsanlage
dar, die nach dem Stand der Technik oder in mathematischen Modellen
für die
Vorhersage der Flüssigkeitsdesinfektions-
und Durchflussgeschwindigkeiten derselben nirgends gelehrt oder
vorgeschlagen werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung nach der vorliegenden Erfindung
werden Mittel- bis Hochdruck-UV-Lampen, vorzugsweise Hochdruck-UV-Lampen
eingesetzt.
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Bei
einer Ausgestaltung nach der vorliegenden Erfindung handelt es sich
bei der UV-Lichtquelle um eine Fusions-HF-UV-Lampe, die derzeit
im Handel bei Fusion UV Systems, Inc. erhältlich ist. Die Fusionslampe
ist eine für
eine plane Steigrohranordnungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung
bevorzugte Lampe, mit der hohe Durchflussgeschwindigkeiten der behandelten
Flüssigkeit
in dem System ermöglicht
werden. Diese Fusionslampe besitzt ein Spektrum ähnlich dem einer Niederdrucklampe
mit einer hohen Verfügbarkeit
und Leistung von UV-B und UV-C, ist aber eine Hochleistungslampe
mit ungefähr
200 W/cm. Es ist bemerkenswert, dass, wie in Vorstehendem dargelegt,
nach dem Stand der Technik die Verwendung von Hochdrucklampen nicht
gelehrt oder vorgeschlagen wird; tatsächlich werden nach allen für die Auslegung
und den Betrieb von Anlagen benutzten Stan dardformeln, einschließlich der
von Dr. George Tschobanoglous entwickelten, Niederdrucklampen verwendet.
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Ein
weiterer Vorteil von Hochleistungslampenanlagen liegt darin, dass
zusätzliche
UV-Wellenlängen, die
mit ausreichender Intensität
geliefert werden, ebenfalls Mikroorganismen zerstören oder
anderweitig deaktivieren können.
Es sind mehrere Wirkmechanismen möglich, aber im Allgemeinen
denaturiert hochdosiertes Licht die Zellbestandteile, wie beispielsweise
Proteine, Zellmembranen und dergleichen, und deaktiviert den Mikroorganismus.
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Die
vorliegende Erfindung ist vorteilhaft, da sie alle oben erwähnten Eigenschaften
aufweist, insbesondere weil die UV-Lampen von dem Durchflussstrom
getrennt sind und eine leichte Versorgungsanlage umfassen, die optische
Bauteile enthält.
Ohne die Verwendung optischer Bauteile in Kombination mit der UV-Lichtquelle
wäre es
nicht möglich,
die Intensität
des Lichts für
eine effektive Desinfektion wirkungsvoll zu fokussieren, zu steuern
und zu kontrollieren, weil die UV-Dosierung an der Wasseroberfläche und
darunter nicht hoch genug wäre,
um die Mikroorganismen abzutöten.
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Jedoch
führt die
Verwendung der Steigrohranordnung noch zu weiteren überraschenden
Ergebnissen, da eine Vielzahl von UV-Dosierbereichen geschaffen
wird, während
die zu behandelnde Flüssigkeit
zwangsgeführt über eine
hydraulische Anlage zu der UV-Lichtquellenanlage, welche eine UV-Lichtquelle
oder UV-Lampe und ein optisches Bauteil oder optische Bauteile umfasst,
geleitet wird.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
eine erheblich vereinfachte Anlage, potentiell sehr viel niedrigere Betriebskosten
und die Fähigkeit,
sowohl große
Wassermengen als auch relativ kleine Mengen, wie für den persönlichen
oder häuslichen
Gebrauch, zu verarbeiten. Für
eine häusliche
Anlage, wie sie am besten in 2 veranschaulicht
ist, ist eine einzelne UV-Lichtquellenanlage
mit Steigrohranordnung (allgemein mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnet)
so gebaut und angeordnet, dass sie an einer für den Verbleib dimensionierten Wasserspeichereinheit
von etwa 20 bis etwa 100 Gallonen angebracht ist. In dieser Anlage
ist die UV-Lichtquelle 310 innerhalb einer UV-Lichtquellenanlage 300,
welche optische Bauteile wie zuvor beschrieben umfasst, über der
zu behandelnden Flüssigkeit
angeordnet und projiziert einen UV-Dosierbereich nach unten zu der
zu behandelnden Flüssigkeit
und in diese hinein, wobei die Flüssigkeit beginnend bei dem
Einströmungspunkt 120 senkrecht
zu der UV-Lichtquelle strömt
und dann an dem Ausströmungspunkt 140 austritt.
Die wenigstens eine UV-Lichtquelle ist über der zu behandelnden Flüssigkeit
angeordnet und projiziert abgegebene UV-Lichtstrahlen 350 nach
unten zu der zu behandelnden Flüssigkeit
und in diese hinein, wobei die Flüssigkeit nach oben zu der UV-Lichtquelle
strömt.
In der Anlage sind mehrere UV-Dosierbereiche eingerichtet. In der
in 6 allgemein mit dem Bezugszeichen 500 bezeichneten
Steigrohranlage sind mehrere UV-Dosierbereiche eingerichtet. Bei
dem ersten Bereich handelt es sich um den am Ausgang der Lichtquellenanlage
befindlichen UV-Dosierbereich 510,
welcher an der Grenzfläche
zwischen der Lichtquellenanlage und der Luft erfolgt. Bei dem nächsten Bereich
handelt es sich um den in der Luft befindlichen bzw. den Dampf-UV-Dosierbereich 520, welcher
gerade unterhalb der UV-Lichtquelle und gerade oberhalb des Wassers
und der wenigstens einen Grenzflächenplatte 240 erfolgt.
Bei dem nächsten
Bereich handelt es sich um den an der Grenzflächenplatte befindlichen UV-Dosierbereich 530,
welcher an der Schnittstelle zwischen dem Wasser und der wenigstens einen
Grenzflächenplatte 240 erfolgt.
Die wenigstens eine Grenzflächenplatte
dient der Bereitstellung eines Reaktionsbereiches für die UV-Desinfektion über der
Flüssigkeit
sowie der Bereitstellung weiterer Behandlungsmittel zum Ausgleichen
des pH-Werts, Beeinflussen der Ausströmungschemie, Bereitstellen
eines Katalysators und dergleichen. Bei dem letzten Bereich handelt
es sich um den eingetauchten UV-Dosierbereich 540, welcher
einen variablen UV-Dosierbereich erzeugt, der mit wachsender Entfernung
von der UV-Lichtquelle an Wirksamkeit nachlässt.
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4 zeigt
eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht,
welche an einen Flüssigkeitsvorratsbehälter angeschlossen
und allgemein mit dem Bezugszeichen 400 bezeichnet ist.
Diese für
die Desinfektion bestimmte UV-Lichtquelle auf Basis eines Vorratsbehälters kann
besonders vorteilhaft mit der Steigrohranordnungsanlage kombiniert
werden, um die Reinheit des aus der Gesamtanlage austretenden Wassers
zu sichern und zu gewährleisten.
Jedoch ist insbesondere dann, wenn das in dem Vorratsbehälter oder
Speichertank enthaltene Wasser in zuvor erfolgten Schritten vorbehandelt
oder gereinigt worden ist, die Hinzufügung der Steigrohranordnungsanlage
möglicherweise
nicht erforderlich, weil die steigrohrlose Anordnungsanlage, die
so gebaut und angeordnet ist, dass sie die statische Flüssigkeit
in dem Vorratsbehälter
oder Tank desinfiziert, die Sterilität und/oder Reinheit des Wassers
angemessen und ausreichend aufrechterhalten kann.
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Ferner
handelt es sich bei der ersten Eigenschaft der Vorratsbehälteranlage
um einen allgemein mit dem Bezugszeichen 110 bezeichneten
Flüssigkeitsvorratsbehälter. In
dieser Anlage ist die UV-Lichtquelle 310 innerhalb einer
UV-Lichtquellenanlage 300, welche optische Bauteile wie
zuvor beschrieben umfasst, über
der in dem Vorratsbehälter 110 gespeicherten
Flüssigkeit
angeordnet und projiziert einen UV-Dosierbereich nach unten zu der
vorzubehandelnden Flüssigkeit
und in diese hinein. Diese in dem Vorratsbehälter befindliche Flüssigkeit
kann zuvor behandelt/gereinigt worden sein oder nicht. Wie vorstehend
dargelegt, ist dann, wenn das in dem Vorratsbehälter oder Speichertank enthaltene
Wasser in zuvor erfolgten Schritten vorbehandelt oder gereinigt
worden ist, die Hinzufügung
der Steigrohranordnungsanlage möglicherweise
nicht erforderlich, well die steigrohrlose Anordnungsanlage, die
so gebaut und angeordnet ist, dass sie die statische Flüssigkeit in
dem Vorratsbehälter
oder Tank desinfiziert, die mikrobielle Reinheit des Wassers ausreichend
aufrechterhält.
-
Die
wenigstens eine UV-Lichteinrichtung ist über dem zu desinfizierenden
Wasser angeordnet oder wird in einem desinfizierten Zustand aufrechterhalten
und projiziert abgegebene UV-Lichtstrahlen 350 nach unten
zu dem Wasser und in dieses hinein. Wiederum ist die Lichtquellenanlage
in der Vorratsbehälteranlage
vorgesehen, um einen Aufbau von Mikroorganismen in dem Vorratsbehälter zu
verhindern. Um die Anlage für
Anwendungen, bei denen die Reinheit garantiert sein muss, zu vervollständigen,
ist eine allge mein mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnete
einzelne UV-Lichtquellenanlage
mit Steigrohranordnung so gebaut und ausgelegt, dass sie an der
Vorratsbehälteranlage 400 angebracht
ist. In dieser Anlage ist die UV-Lichtquelle 310 innerhalb
einer UV-Lichtquellenanlage 300, welche optische Bauteile
wie zuvor beschrieben umfasst, über
der zu behandelnden Flüssigkeit
angeordnet und projiziert einen UV-Dosierbereich nach unten zu der
zu behandelnden Flüssigkeit
und in diese hinein, wobei die Flüssigkeit beginnend bei dem
Einströmungspunkt 120 (Ausströmungspunkt
des Vorratsbehälters)
senkrecht zu der UV-Lichtquelle strömt und dann an dem Ausströmungspunkt 140 austritt.
Die wenigstens eine UV-Lichtquelle ist über der zu behandelnden Flüssigkeit
angeordnet und projiziert abgegebene UV-Lichtstrahlen 350 nach unten
zu der zu behandelnden Flüssigkeit
und in diese hinein, wobei die Flüssigkeit nach oben zu der UV-Lichtquelle
strömt.
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In
der in 6 allgemein mit dem Bezugszeichen 500 bezeichneten
Anlage sind mehrere UV-Dosierbereiche eingerichtet. Bei dem ersten
Bereich handelt es sich um den am Ausgang der Lichtquellenanlage
befindlichen UV-Dosierbereich 510, welcher an der Grenzfläche zwischen
der Lichtquellenanlage und der Luft erfolgt. Bei dem nächsten Bereich
handelt es sich um den in der Luft befindlichen bzw. den Dampf-UV-Dosierbereich 520,
welcher gerade unterhalb der UV-Lichtquelle und gerade oberhalb
des Wassers und der wenigstens einen Grenzflächenplatte 240 erfolgt.
Bei dem nächsten
Bereich handelt es sich um den an der Grenzflächenplatte befindlichen UV-Dosierbereich 530,
welcher an der Schnittstelle zwischen dem Wasser und der wenigstens
einen Grenzflächenplatte 240 erfolgt.
Die wenigstens eine Grenzflächenplatte
dient der Bereitstellung eines Reaktionsbereiches für die UV-Desinfektion über der
Flüssigkeit
sowie der Bereitstellung weiterer Behandlungsmittel zum Ausgleichen
des pH-Werts, Beeinflussen der Ausströmungschemie, Bereitstellen
eines Katalysators und dergleichen. Bei dem letzten Bereich handelt
es sich um den eingetauchten UV-Dosierbereich 540,
welcher einen variablen UV-Dosierbereich erzeugt, der mit wachsender
Entfernung von der UV-Lichtquelle an Wirksamkeit nachlässt.
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Testbeispiel
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Dieser
Abschnitt umreißt
die Ergebnisse eines Wasserdesinfektionstests mit der in 4 gezeigten steigrohrlosen
Heimdesinfektionsanlage. Dieses Beispiel ist nicht unbedingt optimal,
stellt aber die praktische Anwendung einer bevorzugten Ausgestaltung
und keine Einschränkung
für die
Anordnung dar. Dieses Beispiel veranschaulicht, was bei einer Anlage
und einem Verfahren für
die UV-Desinfektion von Flüssigkeiten
getan werden kann, wobei es sich bei der Flüssigkeit um Wasser handelt.
Im Folgenden wird das Testbeispiel mit Ergebnissen beschrieben:
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Testbeispiel und Ergebnisse – steigrohrlose
Heimdisinfektionsanlage
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In
dieser nicht nach der vorliegenden Erfindung ausgeführten Ausgestaltung
der Brauchwasserreinigungsvorrichtung findet eine einzelne Kalibrier-Spektrallampe Verwendung.
Eine derartige Lampe ist beispielsweise die spektrale Hg-(Ar-)Kalibrierlampe,
Modell 6035, von ORIEL Instruments. Diese Lampe gibt UV-Strahlung
mit 254 nm ab. Wird die Lampe mit 15 mA und Gleichstromversorgung
betrieben, gibt sie laut Angaben in einer Entfernung von 25 cm von
der Quelle mit einer Wellenlänge
von 254 nm Licht mit 74 Mikrowattsekunden pro Quadratzentimeter
ab. Wird die Lampe mit 18 mA betrieben, beträgt die Nennlebensdauer 5000
Stunden. Die Lampe ist über
eine Gewindekupplung oben in einen Edelstahltank eingesetzt. Der
Edelstahltank ist zylinderförmig.
Seine Höhe
beträgt
61 cm und sein Durchmesser 56 cm. Der Tank umfasst einen Zapfhahn
aus Vinyl, der ungefähr
1 Inch über
dem Boden angeordnet ist, einen ½''-Verschlussstopfen
aus Edelstahl in der Mitte des Bodens und einen ½''-Verschlussstopfen
aus Edelstahl ungefähr
3 Inches unterhalb der Oberkante. Bei einer Befüllung mit 125 Liter Wasser
liegt zwischen der Wasseroberfläche
und der Oberkante des Tanks ein Spielraum von ungefähr 4 Inches.
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In
einem Nachweis der Wirksamkeit dieser bevorzugten Ausgestaltung
nach der vorliegenden Erfindung wurde der Tank mit UV-Licht sterilisiert
und anschließend
mit 125 Liter sterilem, entionisiertem Wasser gefüllt. Das
Wasser wurde mittels UV-Strahlung ungefähr 6 Stunden lang entkeimt.
Nach der Bestrahlung wurde der Tank entlüftet, bis der Ozongeruch nachgelassen
hatte. Von dem Wasser wurden Proben entnommen, um nachzuweisen,
dass vor der Inokulation keine KBE von Colibakterien vorhanden waren.
Daraufhin wurden 2 ml einer Nährlösung, die
E. coli mit ungefähr
1,14 × 10
5 KBE/ml enthielt, in den Tank gegeben. Der
Tank wurde 3 Stunden lang langsam mit einer magnetischen Rührvorrichtung
gerührt,
um die Bakterien zu dispergieren. Proben von 100 ml und/oder 10
ml wurden mittels Filtration über
0,45-Mikrometer-Filter gewonnen. Nach der Filtration wurden die
Filter entnommen und in Petrischalen gelegt, die ein Saugkissen
und ca. 2 ml Indikatormedium für
Colibakterien enthielten. Anschließend wurden die Petrischalen
bei ungefähr
37 Grad Celsius über Nacht
inkubiert. Aus dem Tank wurden 3 Stunden lang regelmäßig Proben
entnommen, um festzustellen, ob die Bakterien dispergiert waren,
und um die spontane Todesrate der Bakterien zu bestimmen. Anschließend wurde
die Hg-(Ar-)Lampe eingeschaltet und man ließ diese den Tankinhalt 24 Stunden
lang bestrahlen. Proben wurden 5 und 15 Minuten nach dem Einschalten
der Lampe und danach alle 15 Minuten bis 2 Stunden nach dem Einschalten
der Lampe entnommen. Daraufhin wurden für weitere 2 Stunden in Abständen von
30 Minuten nochmals Proben entnommen; nach 8 Stunden wurde eine
Endprobe entnommen. Die Ergebnisse sind unten in Tabelle 1 dargestellt.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, waren in einer Wasserprobe von
100 ml nach 5 Minuten Bestrahlung keine KBE vorhanden. Somit war
diese bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung nach lediglich 5 Minuten
in der Lage, 125 Liter Trinkwasser zu entkeimen, welches mit ungefähr 2,3 × 10
5 KBE E. coli inokuliert war. Es wird angenommen,
dass mehrere Faktoren, darunter das interne Reflexionsvermögen des
Tanks, zu der überraschenden
Wirksamkeit dieser Anlage beigetragen haben. Tabelle 1: Ergebnisse nach UV-Bestrahlung
von E. coli
1 enthaltendem Wasser durch eine
bevorzugte Ausgestaltung nach der vorliegenden Erfindung
| Zeitpunkt
(Minuten) | UV | KBE-Belastung |
| –30 | – | 8402 |
| 0 | – | 7102 |
| +5 | + | 03 |
| +15 | + | 03 |
| 1 Ungefähr 2,3 × 105 KBE E. coli wurden zu 125 Liter sterilem,
entionisiertem Wasser hinzugefügt
und 24 Stunden lang aus einer UV-Kalibrier-Spektrallampe von ORIEL Instruments,
Modell 6035, mit UV-Licht bestrahlt.
2 KBE-Belastung in 10-ml-Wasserproben × 10.
3
KBE-Belastung in 100-ml-Wasserproben. |
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Zu
der Vielzahl von Vorteilen dieser Anlage gehört die Tatsache, dass die nicht
eingetauchte Lampe keine so ausgedehnten Wartungsarbeiten für die Reinigung
benötigt
wie eine eingetauchte Lampe zur Beseitigung des Bewuchses.
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Außerdem verlängert diese
intermittierende Anlagenanordnung vorteilhafterweise die Lebensdauer der
Lampe und sieht daher ein längeres
Austauschintervall beziehungsweise einen längeren Lebenszyklus der Lampe
vor. Da sich die Lebensdauer der Lampe durch das Ein- und Ausschalten
verkürzt,
kann die Anlage so gebaut und angeordnet werden, dass sich der Vorratsbehälter beträchtlich
entleert hat, bevor die Lampe erneut gestartet wird (z.B. kann bei
Verwendung eines Vorratsbehälters
oder Tanks mit gereinigtem Wasser die Lampenaktivität so gesteuert,
vorprogrammiert und anderweitig geregelt werden, dass sie der Wassermenge und
dem Wasserstand in dem Tank entspricht). Je nach Größe des Vorratsbehälters und
der Anzahl der die Anlage nutzenden Personen (Nachfrage oder Verbrauch
gemessen in Gallonen/Tag) ist die Lampe für intermittierenden Betrieb
angeordnet, ausgelegt und programmiert, z.B. für ca. eine Stunde pro Tag.
Auf diese Weise kann die etwa einen Monat betragende Lebensdauer
der Lampe bei Dauerbetrieb auf vielleicht ein Jahr verlängert werden,
abhängig
von den betreffenden Kennzahlen und technischen Daten der Anlage,
einschließlich der
Wassereigenschaften.
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Somit
ist aus den Vorteilen dieser bevorzugten Ausgestaltung nach der
vorliegenden Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik ersichtlich, dass die für diese bevorzugte Ausgestaltung
nach der vorliegenden Erfindung benötigte Wartung im Vergleich
zu dem Stand der Technik erheblich geringer ist.
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Bei
Wasser mit starker Trübung
erfordert die vorliegende Erfindung eine gewisse Vorbehandlung des Wassers,
bevor dieses den UV-Dosierbereichen
nach der vorliegenden Erfindung ausgesetzt wird. Herkömmliche
Mittel zur Verringerung der Trübung,
welche Filtration, Verdünnung,
Umkehrosmose und chemische Behandlung umfassen, jedoch nicht darauf
beschränkt
sind, können
vorteilhafterweise eingesetzt werden, um die UV-Wirksamkeit der
Anlage nach der vorliegenden Erfindung zu erhöhen. Jedoch ermöglichen
bestimmte Eigenschaften der bevorzugten Ausgestaltung eine einfachere
Handhabung von Flüssigkeiten
mit starker Trübung
als der Stand der Technik.
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Die
Grenzflächenplatte
kann mittels einer nicht-planen Fläche, einer abgestuften Fläche, einer
nach unten geneigten Fläche
oder dergleichen Durchwirbelungen oder Flüssigkeitskaskaden bewirken.
Das Bewirken von Durchwirbelungen ist besonders vorteilhaft, wenn
die Flüssigkeit
trübe ist.
Trübung,
die als der Zustand des Wassers zu verstehen ist, in dem dieses
durch aufgewirbelte Sedimente wolkig ist, stört die Übertragung der UV-Energie und verringert
die Desinfektionswirkung der UV-Licht-Desinfektionsanlage. Somit bewirken
Durchwirbelungen, indem sie in dem Partikel eine Drehung hervorrufen,
dass alle Seiten eines Partikels dem UV-Licht ausgesetzt sind. Außerdem verringern
die photokatalytischen Eigenschaften der Anlage die Trübung, indem
sie die für
die Trübung
verantwortlichen Verbindungen oder Partikel abbauen. Ferner erhöhen die reflektierenden
Bereiche der Oberflächen
der Anlage die Wirksamkeit der Anlage, wenn diese unter trüben Bedingungen
betrieben wird, weil das UV-Licht auf die verschiedenen Seiten eines
Partikels auftreffen kann, so dass sich das Parti kel drehen muss,
wodurch die Lichtundurchlässigkeit
des Partikels überwunden
wird. Ein weiterer Punkt, der die Leistung bei trüben Bedingungen
verbessert, ist die hohe UV-Lichtintensität der Anlage. Durch die hohe
UV-Lichtintensität können Schwankungen
der Trübung
leichter kompensiert werden als bei Anlagen niedrigerer Intensität. Somit
zeichnet sich die bevorzugte Ausgestaltung durch mehrere Eigenschaften aus,
die ihre Leistung unter trüben
Bedingungen verbessern.
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In
Fällen,
in denen der Eisen- oder Mangangehalt im Wasser hoch ist und das
Wasser getrübt
ist und/oder organische Verschmutzungen enthält, muss das Wasser vor Eintritt
in das UV-Desinfektionsstadium gewöhnlich vorbehandelt werden,
weil Ablagerungen auf den in der Quarzhülse eingekapselten und eingetauchten
UV-Lampen, die sich in dem zu behandelnden Wasser befinden, die Übertragung
des UV-Lichts stören
und dadurch die UV-Dosis verringern und die Anlage unwirksam machen.
Nach dem Stand der Technik wird typischerweise eine UV-Reinigung
in Verbindung mit Aktivkohlefiltration, Umkehrosmose und mit bestimmten
Chemikalien eingesetzt, um den Bewuchs zwischen den Reinigungen
der die UV-Lampen umgebenden Quarzhülsen zu reduzieren. Somit besteht
ein weiterer Vorteil der bevorzugten Ausgestaltung darin, dass eine
Trübung
nicht verringert werden muss, damit die Anlage ordnungsgemäß funktioniert,
und dass die Anlage somit die Notwendigkeit einer teuren Vorbehandlung
der Flüssigkeit
zur Verringerung der Trübung überflüssig macht.
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Aus
dem Beitrag des Reflexionsvermögens
der innenliegenden Flächen
zu der Wirksamkeit der Anlage kann ein Nutzen gezogen werden, indem
in den Vorratsbehälter
UV-reflektierende Materialien und eine reflexionsverstärkende Ausgestaltung
integriert werden. Dieselben Flächen
können
auch so hergestellt werden, dass sie Photokatalysatoren enthalten,
wie zuvor für
die Grenzflächenplatte
gelehrt. Außerdem
können
in der Vorratsbehälter-
oder Steigrohranordnungsanlage zur Unterstützung des Photokatalysatoren
zusätzliche
Flächen
vorgesehen werden. Somit wird eine integrierte Ausgestaltung, bei
der UV-reflektierende Materialien, eine UV-reflektierende Ausgestaltung,
Photokatalysatoren und zusätzliche
photokatalysatorische Flächen
enthalten sind, die Wirksamkeit der Anlage beträchtlich verbessern.
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Für Fachleute
werden beim Lesen der vorstehenden Beschreibung gewisse Modifikationen
und Verbesserungen offenbar. Abhängig
von der Auswahl der betreffenden UV-Lichtquelle oder UV-Lampe für eine gegebene
Anlage werden beispielhaft verschiedene optische Bauteile verwendet.
Außerdem
werden eine Vielzahl von UV-Lichtquellenanlagen in planen waagrechten
oder nachgerüsteten
Anordnungen und/oder zylindrischen Steigrohranordnungen kombiniert
und in Reihe angeordnet, um die Durchflussgeschwindigkeiten zu erhöhen, bei
denen eine wirkungsvolle UV-Desinfektion der Flüssigkeit stattfindet. Darüber hinaus
ist ein großer
Bereich an Flüssigkeitsanwendungen
innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung denkbar, einschließlich der
Anwendung der UV-Flüssigkeitsdesinfektionsanlage
und des entsprechenden Verfahrens bei der Desinfektion von anderen
Wasserbehältern,
Wasserquellen und wasserabgebenden Vorrichtungen, die, ohne darauf
beschränkt
zu sein, auch Tanks mit Wasser bei Umgebungs- und Kühltemperaturen,
Kältemaschinen,
Trinkbrunnen, Wassertürme,
Getränkezubereitungsvorrichtungen,
Getränkeabgabevorrichtungen,
Geschirrspülmaschinen,
Warmwasserbereiter, Waschmaschinen, Badewannen, Duschen, Toiletten
und Wasserpumpen umfassen. Ferner können Wasserspeichervorrichtungen,
die Trinkwasser benötigen,
wobei das Wasser aber nicht vorrangig zum Trinken bestimmt ist,
mit einer UV-Flüssigkeitsdesinfektionsanlage
und dem entsprechenden Verfahren nach der vorliegenden Erfindung
ausgestattet werden. Beispielhaft und nicht als Einschränkung zu
verstehen können
auch Schwimmbäder,
Heißwasserbecken,
Dampfbäder,
Saunen, Wasserparks und dekorative Trinkbrunnen mit einer UV-Flüssigkeitsdesinfektionsanlage
und dem entsprechenden Verfahren nach der vorliegenden Erfindung
ausgestattet werden, um das darin enthaltene oder genutzte Wasser
zu desinfizieren oder die mikrobielle Reinheit desselben aufrechtzuerhalten.
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Diese
Vielzahl an Anwendungspunkten kann auch über Lichtführungen mit einer einzelnen
Lichtquelle, wie beispielsweise einer Lichtpumpe, verbunden sein.
Bei einer derartigen Anordnung ist eine Lampe oder Lichtquelle an
jedem Anwendungspunkt nicht mehr erforderlich. Da es möglicherweise
nicht mehr nötig
ist, jeden Anwendungspunkt ständig
zu bestrahlen, würde
eine derartige Anordnung eine Lampe gleicher Größe ermöglichen, wie sie für eine einzelne
Anwendung erforderlich wäre,
um damit mehrere Anwendungen intermittierend und/oder bei Bedarf
zu betreiben und so eine effizientere Nutzung der Lampe zu gestatten.
Darüber hinaus
wird durch das Anbringen der Lampe außen am Tank das Risiko gemindert,
dass bei einem Bruch der Lampe oder des Lampengehäuses Glas
und/oder Quecksilber das Wasser verunreinigt. Ein weiterer Vorteil bei
einer derartigen Anordnung besteht darin, dass früher in Tauchanlagen
erforderliche Filter zur Verhinderung einer derartigen Verunreinigung
nicht länger
benötigt
werden.