СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ УФ-ДЕЗИНФЕКЦИИ С ШИРОКОПОЛОСНЫМИ УФ-ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ
CONTROL DEVICE FOR UV-DISINFECTING SYSTEM WITH BROADBAND UV EMITTERS

Данное изобретение относится к устройству и способу управления установками УФ-дезинфекции, в которых применяют широкополосные УФ-излучатели. Способ согласно данному изобретению должен обеспечить максимально точное управление мощностью установки дезинфекции, чтобы, с одной стороны, обеспечить необходимую мощность установки дезинфекции, а с другой стороны, исключить слишком высокий расход энергии.
Бактерицидное, дезинфицирующее воздействие УФ-излучения давно известно. УФ-излучатели на протяжении многих десятилетий используют для дезинфекции питьевой воды и стоков, в системах кондиционирования, осушения и для дезинфекции рабочих зон биологических лабораторий. При дезинфекции воды происходит генерирование УФ-излучения и обработка им воды для воздействия на микроорганизмы (вирусы, бактерии, одноклеточные организмы). Бактерицидное действие УФ-излучения зависит в этом случае от длины волны и от вида нейтрализуемых микроорганизмов.
УФ-излучением или УФ-светом обозначают диапазон длины волны электромагнитного излучения между видимым световым излучением и рентгеновским излучением, т.е. диапазон длин волн от 400 нм до 100 нм. При этом весь УФ-спектр подразделяют обычно на 4 диапазона: УФ-А (315-400 нм), УФ-В (280-315 нм), УФ-С (200-280 нм) и вакуум-УФ или V-УФ (100-200 нм). Бактерицидное, дезинфицирующее воздействие УФ-излучения обеспечивают, главным образом, диапазоны УФ-В и УФ-С. Бактерицидное действие диапазона УФ-А по сравнению с диапазоном УФ-В и УФ-С относительно слабое.
Почти все установки обеззараживания воды работают с использованием УФ-излучателей, выполненных в виде газоразрядных ламп с ртутной составляющей в газовом наполнении. Ртуть производит, в том числе, доминантный спектр излучения при 254 нм, равный почти максимальной, определяемой длиной волны эффективности УФ-света для дезинфекции микроорганизмов. Зависимость эффективности от длины волны составляет у большинства микроорганизмов локальный максимум при 260 нм, т.е. наиболее эффективна определенная доза УФ-излучения с такой длиной волны. Эффективность сначала падает в направлении уменьшения длины волны до 240 нм, а затем вновь вырастает. Диапазон между 240 нм и 200 нм также подходит для дезинфекции микроорганизмов, имея хороший показатель эффективности.
В зависимости от устройства применения находят, главным образом, два вида излучателей, а именно, во-первых, т.н. излучатели низкого давления, работающие при давлении газа, равном примерно менее 0,1 мбар. Эти излучатели низкого давления с весьма узкополосным линейным спектром генерируют в названном диапазоне длин волн практически только УФ-С-излучение с длиной волны, равной 254 нм. Для них характерна очень высокая электрическая эффективность, так как они преобразуют почти 40% всей потребляемой электрической мощности в мощность излучения с названной длиной волны. Недостатком излучателей низкого давления является относительно невысокая мощность излучения по отношению к их размеру, что обуславливает необходимость применения большого количества излучателей в установке дезинфекции воды с большой пропускной способностью. Это приводит к соответствующему удорожанию этих установок. Преимуществом является, однако, необходимость контроля только мощности излучения при 254 нм, так как доля бактерицидной эффективности остальных компонентов незначительна и эффективный спектр может быть использован непосредственно для управления установкой.
В документе DE 202004012686 U1 раскрыто устройство дезинфекции с размещенным в колбе УФ-излучателем, эмиссию которого контролирует сенсорный датчик, подробно не раскрытый. При отклонении от заданного параметра должен раздаваться сигнал, свидетельствующий о необходимой степени очистки.
Из документа DE 102008051239 AI известна установка дезинфекции с УФ-излучателями, контролируемыми двумя сенсорными датчиками. Старение и вероятное снижение общей мощности излучения фиксируют посредством различного геометрического расположения сенсорных датчиков, например, отличающимся расстоянием или различным углом фиксации. Главным образом, используется косинусный закон Ламберта для определения помутнения оболочки излучателя из-за образования наслоений. В данном документе отсутствует ссылка на спектральную чувствительность сенсорного УФ-датчика. Также не раскрыто, что оба сенсорных УФ-датчика могут иметь различную спектральную чувствительность.
В других установках дезинфекции воды применяют т.н. излучатели среднего давления. Внутреннее давление этих излучателей составляет примерно от 0,1 до 10 бар. Излучатели работают при более высоких температурах и при значительно меньших размерах показывают значительно более высокую потребляемую мощность и соответственно более высокую мощность УФ-излучения. Более высокие температура и давление внутри излучателя генерируют совсем другой УФ-С-спектр и излучение с непрерывным спектром в диапазоне от 240 нм до 200 нм. Этот диапазон также актуален, как сказано выше, для мощности дезинфекции, так как также имеет место сильное воздействие заданной дозы УФ-излучения на микроорганизмы в этом диапазоне длины волны.
Контролирование излучателей среднего давления до настоящего времени было аналогично контролированию и управлению мощностью излучения излучателей низкого давления. Для этого применяют сенсорные УФ-датчики, фиксирующие часть спектра или весь спектр излучения. Мощность излучателя среднего давления регулируют при этом таким образом, чтобы зафиксированная сенсорным датчиком суммарная эмиссия соответствовала требованиям и заданным параметрам. Таким образом, из уровня техники известно фиксирование спектра, в котором доминируют линейные и непрерывные спектры с длиной волны более 240 нм. Сенсорный УФ-датчик для подобного контролирования описан, например, в документе US 2004/0200975 AI. В документе раскрыт карбидно-кремниевый сенсорный датчик с максимальной чувствительностью, равной примерно 260 нм.
Выявлено, что такое контролирование излучателей среднего давления для регулирования и контролирования мощности дезинфекции УФ-излучателя пригодно только ограничено. Поэтому задачей данного изобретения является создание устройства контролирования и регулирования мощности излучения излучателей среднего давления в установках дезинфекции воды, с помощью которого можно регулировать биологически активное УФ-С-излучение таким образом, чтобы можно было надежно обеспечить заданную мощность дезинфекции и одновременно сократить избыточный слишком высокий расход электроэнергии.
Эта задача решается с помощью устройства с признаками пункта 1 формулы изобретения и способа с признаками пункта 5 формулы изобретения.
Так как устройство включает соединенный с блоком регулирования, предназначенным для регулирования мощности широкополосного УФ-излучателя или объемного расхода воды через водоток, первый сенсорный УФ-датчик с максимальной чувствительностью к УФ-излучению в диапазоне от 200 до 240 нм, предпочтительно с максимальной чувствительностью в диапазоне от 200 до 230 нм и особо предпочтительно с максимальной чувствительностью 220 нм, то первый сенсорный УФ-датчик может фиксировать биологически наиболее эффективный спектральный диапазон от 200 до 240 нм и происходит компенсация даже незначительных колебаний выходной интенсивности в данном диапазоне длины волны, у которых отсутствуют существенные изменения в суммарной интенсивности излучения во всем УФ-спектре и в УФ-С-спектре. Преимущественно применяют два сенсорных датчика, причем второй сенсорный УФ-датчик фиксирует спектральный диапазон длины волны выше 240 нм. Таким образом, обеспечена возможность сравнения соотношения мощности излучения в диапазоне от 200 до 240 нм и мощности излучения в диапазоне от 240 до 300 нм. Это соотношение служит показателем технического состояния излучателя, например, таких показателей как условия эксплуатации и старение.
В альтернативном варианте можно применять один сенсорный датчик с возможностью переключать спектральную чувствительность между двумя вышеназванными диапазонами длин волн. Такой сенсорный датчик может заменять первый сенсорный УФ-датчик и второй сенсорный УФ-датчик, объединяя в корпусе сенсорного датчика два отдельных УФ-чувствительных элемента.
Также может быть предусмотрено использование сенсорного датчика с разрешающей способностью по типу спектрометра, который замеряет коротковолновый спектр УФ-С-диапазона от 200 до 240 нм. Обработанный диапазон длин волн от 200 до 240 нм разрешенного спектра используют для регулирования УФ-излучателя и/или для расчета фактической мощности установки дезинфекции.
Первым сенсорным УФ-датчиком для диапазона от 200 до 240 нм служит предпочтительно полупроводниковый сенсорный датчик, оборудованный фильтрами, пропускающими диапазон длин волн от 200 нм до 240 нм и останавливающими другие диапазоны, в частности диапазон >240 нм.
Так как способ контролирования и управления установкой дезинфекции воды согласно данному изобретению предусматривает, по меньшей мере, один установленный в водотоке широкополосный УФ-излучатель, например, типа ртутного излучателя среднего давления или эксимерного излучателя, причем предусмотрен, по меньшей мере, один первый сенсорный УФ-датчик, установленный в воде на расстоянии от широкополосного УФ-излучателя и соединенный с блоком регулирования, предназначенным для регулирования мощности широкополосного УФ-излучателя или объемного расхода воды в водотоке способом согласно настоящему изобретению, а
- максимальная чувствительность первого сенсорного УФ-датчика (103) составляет от 200 нм до 240 нм,
- во время эксплуатации обрабатывают сигнал первого сенсорного УФ-датчика (103),
- на основе сигнала первого сенсорного УФ-датчика (103) рассчитывают дозу УФ-излучения в диапазоне длин волн от 200 нм до 240 нм, и
- полученная по месту первого сенсорного УФ-датчика (103) доза УФ-излучения служит для расчета мощности установки дезинфекции воды,
то полученная мощность дезинфекции может быть в любое время точно определена и при необходимости отрегулирована.
Если также предусмотрено, что за основу расчета мощности дезинфекции принят УФ-спектр воздействия на определенный микроорганизм, то при точно известной микробиологической нагрузке поступающей воды или стоков можно измерить необходимую дезактивирующую дозу для этого микроорганизма и при необходимости ее отрегулировать.
Если также для расчета мощности дезинфекции предусмотрена возможность выбора микроорганизма из группы, включающей вирусы, бактерии и одноклеточные организмы, то существует возможность реагирования на различные возможные нагрузки, например, при доочистке стоков очистных сооружений.
Если предусмотрен второй сенсорный УФ-датчик с максимальной чувствительностью от 240 нм до 300 нм, то из соотношения сигналов первого и второго сенсорного УФ-датчика можно получить параметр, характеризующий старение широкополосного УФ-излучателя.
Если затем в зависимости от сигнала сенсорного датчика происходит регулирование электрической мощности широкополосного УФ-излучателя, то можно компенсировать как изменяющуюся УФ-пропускную способность воды, так и начинающееся старение излучателя.
Далее более подробно на основе чертежей описан вариант выполнения данного изобретения. Чертежи отображают также общий уровень техники в виде УФ-спектров различных излучателей и рабочих диаграмм действия мощности дезинфекции волн различной длины на различные микроорганизмы. На чертежах, в частности, изображено:
фигура 1 - сравнение спектра излучателя низкого давления и спектра излучателя среднего давления (из уровня техники);
фигура 2 - зависимость воздействия УФ-излучения на различные микроорганизмы от длины волны излучения (из уровня техники);
фигура 3 - примеры спектров пропускной способности различных сортов кварцевого стекла;
фигура 4 - примеры спектров поглощения проб воды в диапазоне от 200 до 300 нм (из уровня техники: USEPA (2006) Ultraviolet Disinfection Guidance Manual for the Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule, EPA 815-R-06-007. Office of Water, Washington, DC);
фигура 5 - спектры излучателей среднего давления в зависимости от их старения;
фигура 6 - конфигурация согласно данному изобретению в виде структурной блок-схемы; а также
фигура 7 - предпочтительные варианты кривых спектральной чувствительности сенсорных датчиков по фигуре 6.
Фигуры 1, 2 и 4 отображают состояние уровня техники, важное для пояснения технических аспектов.
Фигура 1 отображает два различных спектра. В верхней части фигуры 1 изображена спектральная линия излучения излучателя низкого давления при 254 нм. Из этого следует, что контролирование УФ-эмиссии при такой длине волны пригодно для регулирования суммарной мощности УФ-излучения излучателя низкого давления в рамках определенного заданного параметра.
Фигура 1 в нижней части отображает спектр излучателя среднего давления. Из этого следует, что сохранено много линейностей в диапазоне от 240 нм и до примерно 370 нм. Регулирование мощности такого излучателя среднего давления только посредством одного сенсорного УФ-датчика с максимальной чувствительностью 260 нм может быть использовано для регулирования суммарной мощности УФ-излучения только в случае, если остаются постоянными относительная интенсивность различных линейностей и сплошного спектра ниже этих линейностей.
Практика показывает, что, с одной стороны, доля УФ-излучения в диапазоне от 200 до 240 нм зависит от конструктивного исполнения излучателя среднего давления. Современные сверхмощные излучатели генерируют в этом коротковолновом диапазоне значительную долю их суммарной мощности излучения, а излучатели более старой конструкции и другого типа эксплуатации генерируют в этом диапазоне только незначительную часть их суммарной мощности излучения. Фигура 1 в нижней части показывает, что суммарная доля УФ-излучения излучателя среднего давления в диапазоне от 200 до 240 нм незначительна по сравнению с суммарной эмиссией. Однако именно этот диапазон длин волн имеет большое значение для биологической эффективности установок дезинфекции воды, насыщенной микроорганизмами. Это подтверждается фигурой 2, отображающей воздействие УФ-излучения на ДНК различных микроорганизмов в зависимости от длины волны. Различные кривые на фигуре 2 выражены относительной величиной воздействия, равной 1, в диапазоне 240 нм. Ясно, что воздействие УФ-излучения в диапазоне от 240 до 300 нм на исследованные микроорганизмы примерно одинаковое (с отклонением примерно 50%). Однако в диапазоне ниже 240 нм воздействие УФ-излучения на ДНК различных микроорганизмов резко изменяется. Существуют микроорганизмы, которые поглощают относительно малое количество УФ-излучения в коротковолновом диапазоне, и поэтому воздействие УФ-излучения на них незначительно. С другой стороны, существуют микроорганизмы, у которых в диапазоне ниже 240 нм значительно возрастает поглощение УФ-излучения и, тем самым, растет дезактивирующее воздействие УФ-излучения.
Фигура 2 отображает, таким образом, что варьирование мощности излучения в диапазоне от 200 до 240 нм может привести к значительным различиям воздействия на некоторые микроорганизмы в зависимости от мощности установки УФ-дезинфекции, а именно, при условии, если воздействие УФ-излучения с небольшой длиной волны на некоторые микроорганизмы возрастает, таким образом, как это показано на фигуре 2.
Существуют и другие виды воздействия на спектр УФ-излучения, генерируемые излучателем среднего давления. Соотношение мощности излучения в диапазоне от 200 до 240 нм и суммарной эмиссии излучателя зависит только от типа конструкции и вида эксплуатации излучателя. При испускании света источником света свет на своем пути взаимодействует с различными материалами, прежде чем он попадает на микроорганизмы. Эти материалы - газ, наполняющий излучатель, кварцевая колба излучателя, воздух между кварцевой колбой и защитной оболочкой, трубчатый футляр, который может быть предусмотрен между УФ-излучателем и обрабатываемой водой и сама вода. На этих материалах и их поверхностях возникают процессы поглощения, отражения, рефракции и рассеивания, воздействующие на спектр.
Фигура 3 отображает, например, спектр пропускания УФ-излучения для различных видов кварцевого стекла. В актуальном диапазоне от 200 до 300 нм обозначенное ссылкой 021 синтетическое кварцевое стекло имеет наилучшую пропускную способность, равную примерно 90%, в то время как обозначенное ссылкой 219 кварцевое стекло уже ниже 260 нм показывает явное снижение, а ниже 200 нм практически не пропускает УФ-излучение. Обозначенный ссылкой 124 образец показывает максимальную пропускную способность при 245 нм, которая ниже 230 нм опять падает. При 200 нм пропускная способность равна только 25%. Фигура 3 наглядно отображает, что излучатель среднего давления, который эмитирует значительную долю мощности излучения в диапазоне от 200 до 240 нм, т.е. в диапазоне, наиболее действенном согласно фигуре 2 для некоторых микроорганизмов, может частично или полностью потерять эффективность в этом диапазоне при неправильном выборе кварцевого стекла для трубчатого футляра. Если регулирование мощности излучения излучателя среднего давления обеспечивает сенсорный датчик с чувствительностью только в диапазоне от 260 до 300 нм, то влияние поглощения различными видами кварцевого стекла не может быть учтено.
Фигура 4 отображает различные спектры поглощения проб воды в диапазоне от 200 до 300 нм. Если поглощающая способность проб воды с очень низкой УФ-поглощающей способностью составляет в коротковолновом диапазоне 200 нм примерно 20%, то поглощающая способность проб воды с высокой УФ-поглощающей способностью составляет уже примерно в диапазоне выше 230 нм 40% и более. Поглощающая способность при длине волны выше 240 нм для всех проб воды в основном одинаковая. Этот пример также показывает, что регулирование мощности излучения сенсорными датчиками с чувствительностью от 260 до 300 нм не может в достаточной мере учитывать изменения УФ-поглощающей способности обрабатываемой воды. Если для управления и регулирования мощности излучения согласно данному изобретению применяют сенсорный УФ-датчик с чувствительностью в диапазоне от 200 до 240 нм, можно надежно регулировать поступающее излучение по месту необходимого воздействия даже при колебаниях УФ-поглощающей способности воды.
Фигура 5 отображает примеры изменения спектров излучателей среднего давления при их эксплуатации в течение 3266 часов. Более высокие эмиссионные спектры характерны для новых излучателей, а более низкие спектральные линейности мощности характерны для состарившихся излучателей. Ясно, что старение способствует падению мощности в диапазоне 260 нм ровно на 50%, однако падение мощности в диапазоне от 200 до 240 нм значительно больше. В самом нижнем примере диапазон от 200 до 210 нм почти полностью выпал.
Поэтому при регулировании мощности установки дезинфекции в диапазоне 260 нм нельзя учесть, что падение мощности в диапазоне от 200 до 240 нм значительно больше. Исходя из этого, предпочтительным вариантом является регулирование мощности установки УФ-дезинфекции в диапазоне от 200 до 240 нм.
Фигура 6 наглядно отображает структурную блок-схему установки УФ-дезинфекции с системой регулирования согласно данному изобретению.
По водотоку 100 направлен поток воды (стоки или питьевая вода). Водоток может при обработке стоков быть открытым или закрытым водоводом. Для обработки питьевой воды его выполняют обычно в виде закрытого водовода из нержавеющей стали.
Вода протекает мимо ртутного излучателя 101 среднего давления, расположенного в трубчатом футляре 102, пропускающем УФ-излучение, и не имеющего таким образом прямого контакта с водой.
На расстоянии от трубчатого футляра 102 в потоке воды расположен первый сенсорный УФ-датчик 103 с чувствительностью к УФ-излучению в диапазоне длин волн от 200 до 240 нм. Расстояние первого сенсорного УФ-датчика 103 от трубчатого футляра 102 выбрано таким образом, чтобы слой воды между первым сенсорным УФ-датчиком 103 и трубчатым футляром 102 был равен в среднем слою воды между трубчатым футляром 102 и находящимися в воде микроорганизмами. Точное определение расстояния не имеет значения, так как для возможности измерить ослабление попадающего на первый сенсорный УФ-датчик УФ-излучения за счет УФ-поглощающей способности воды важен слой воды в зоне прохождения излучения между трубчатым футляром 102 и первым сенсорным УФ-датчиком 103.
Первый сенсорный УФ-датчик в рабочем режиме выдает сигнал, характеризующий мощность поступающего излучения в диапазоне от 200 до 240 нм. Первая сигнальная линия 104 передает сигнал на блок регулирования 105. Блок регулирования 105 регулирует, в свою очередь, напряжение 106 таким образом, чтобы излучатель 101 генерировал заданную мощность УФ-излучения, необходимую для заданной мощности дезинфекции.
Чувствительность первого сенсорного УФ-датчика 103 точно соответствует УФ-С-спектру, в котором эффективность дезинфекции во многом зависит от биологической эффективности и длины волны, характерных, в частности, для различных микроорганизмов. Первый сенсорный УФ-датчик 103 принимает от излучателя 101 излучение вышеназванного диапазона с учетом изменения спектра мощности по времени и поглощению трубчатым футляром и водой, рассеиванию и другим воздействиям. Учету подлежат снижающие мощность воздействия, которые в диапазоне 260 нм длины волны менее эффективны.
В качестве опции может быть предусмотрен дополнительный сенсорный датчик в качестве второго сенсорного УФ-датчика 107, предназначенного также для измерения УФ-излучения в воде, но с максимальной чувствительностью примерно около 260 нм, длинноволнового диапазона, как при обычном контролировании или регулировании широкополосного УФ-излучения. Этот второй сенсорный УФ-датчик 107 передает мощность излучения в длинноволновом диапазоне УФ-С-спектра на блок регулирования 105, который может на этой основе сформировать суммарную мощность в УФ-С-диапазоне и в коротковолновом спектре УФ-В-диапазона, но без учета особенно важного коротковолнового спектра УФ-С-диапазона, который контролирует первый сенсорный УФ-датчик 103. На основе соотношения мощностей, измеряемых, с одной стороны, первым сенсорным УФ-датчиком 103 и, с другой стороны, вторым сенсорным УФ-датчиком 107, блок регулирования 105 может вычислить уровень состояния установки дезинфекции и, в частности, излучателя 101 и в случае сверхбольшого спада мощности УФ-излучения в диапазоне длины волны первого сенсорного УФ-датчика 103 сгенерировать предупредительный сигнал.
Фигура 7 отображает спектр 203 чувствительности первого сенсорного УФ-датчика 103 и спектр 207 чувствительности второго сенсорного УФ-датчика 107. Максимальная чувствительность кривой 203 первого сенсорного УФ-датчика 103 составляет примерно 225 нм, причем выше 240 нм и ниже 200 нм чувствительность практически отсутствует. Максимальная чувствительность кривой 207 второго сенсорного УФ-датчика 107 составляет 260 нм, причем ниже 235 нм и выше 295 нм спектральная чувствительность второго сенсорного УФ-датчика снижается до нуля.
Таким образом представленное регулирование обеспечивает возможность точного контролирования и регулирования установки дезинфекции в рамках важного диапазона длин волн от 200 до 240 нм таким образом, что возможно наличие точной информации о обеспечиваемой мощности дезактивации и дезинфекции, в том числе для специфических микроорганизмов.