1．引言
在城鎮(zhèn)給水處理中，通常采用投加化學(xué)藥劑（例如Cl2, ClO2, 或者O3等）的消毒方法。近些年來，研究人員發(fā)現(xiàn)在這些傳統(tǒng)的化學(xué)藥劑消毒過程中，會產(chǎn)生一些有害的消毒副產(chǎn)物（DBPs），如THM，HAA，以及 HBr 等。由于紫外線消毒不需要往水中投加任何化學(xué)物質(zhì)，并且可以滅活一些傳統(tǒng)化學(xué)藥劑不能殺死的有害微生物，如隱性孢子菌（cryptosporidium ）和藍(lán)氏賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）等[1，2，3，4]，因此紫外線消毒受到了特別的重視。目前在北美和歐洲，紫外線消毒技術(shù)及其應(yīng)用是一個十分活躍的研究領(lǐng)域，并且有越 來越多的城鎮(zhèn)給水廠采用了紫外線消毒措施。本文擬對紫外線消毒技術(shù)在給水處理中應(yīng)用的發(fā)展歷史及應(yīng)用現(xiàn)狀作一簡單介紹。
2．紫外線消毒的發(fā)展歷史
大約在1個多世紀(jì)以前，人們就開始了對紫外線消毒機理和應(yīng)用的研究。早在1877年，Downs 和 Blunt 第一次報道了關(guān)于太陽光輻射可以殺滅培養(yǎng)基中細(xì)菌的特性，這也揭開了人們對紫外線消毒研究和應(yīng)用的序幕[5]。但是，早期的研究和應(yīng)用在很大程度上受到了 紫外線消毒硬件設(shè)施生產(chǎn)技術(shù)的局限，這主要體現(xiàn)在紫外燈、鎮(zhèn)流器、紫外感應(yīng)器（UV sensor）等生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。下面對紫外線消毒技術(shù)發(fā)展過程中有重要意義的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用作一簡單回顧。
1901年，汞燈開始被用作人造 紫外光源；1903年，Bernard 和 Morgan 發(fā)現(xiàn)了對生物最敏感的紫外光主要集中在波長250 nm 左右的區(qū)域內(nèi)，Bang在1905年也報道了同樣的現(xiàn)象[5]。1904年，Kuch 造出了第一個石英紫外燈[6]。1906年，石英開始大量被用于紫外燈生產(chǎn)和研究領(lǐng)域；1910年，在法國馬賽市（Marseilles），紫外線消毒系 統(tǒng)第一次被用于城市給水處理的生產(chǎn)實踐中，日處理能力為200 m3/d；之后（約1911年），轎車托運法國里昂市（Rouen）一個地下水源水廠也采用了紫外線消毒[7]。1916年，美國建設(shè)了第一個紫外線消毒系統(tǒng)，用 于肯塔基州亨德森市（Henderson）12,000居民的生活用水消毒；然后在隨后的幾年內(nèi)（1923~1928年），在俄亥俄州伯利亞市 （Berea）、肯薩斯州霍爾頓市（Horton）、俄亥俄州匹茲堡市（Perrysburg）等地也陸續(xù)采用了紫外線消毒技術(shù)[6]。1929 年，Gates 對紫外線消毒的機理做了深入地研究，并第一次確立了細(xì)菌的滅活[①]與核酸對紫外線的吸收之間的聯(lián)系[7]。從1887年到1930年可以劃為紫外線給水 消毒發(fā)展的第一個階段，在這個階段，紫外線消毒系統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)有了初步的發(fā)展，人們對消毒機理有了基本的認(rèn)識，同時紫外線消毒技術(shù)已經(jīng)開始被應(yīng)用于生產(chǎn)實 踐。
20世紀(jì)30年代中后期，紫外線消毒的研究和應(yīng)用出現(xiàn)了一次低谷，這主要是由于紫外燈的壽命、設(shè)備的操作和維護(hù)以及消毒處理效率和成本等 問題造成的。在此期間，大部分水廠都采用了技術(shù)相對成熟、操作簡單、效益較好的氯消毒取代了紫外線消毒。1938年，美國Westinghouse Electric 公司展出了第一個熒光氣體放電管狀紫外燈（簡稱“熒光燈”），至此紫外燈的壽命和輸出功率得到了逐步的提高。20世紀(jì)40年代，紫外燈及鎮(zhèn)流器的生產(chǎn)技術(shù) 得到了進(jìn)一步的提高，這為以后紫外線消毒技術(shù)的使用和推廣奠定了基礎(chǔ)[8]。
20世紀(jì)50年代，由于一些化學(xué)藥劑消毒副產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)以及在紫外 燈及相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，紫外線消毒技術(shù)的研究和應(yīng)用又得到了全面的重視。特別是在歐洲，紫外線消毒技術(shù)再次被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)給水處理之中。 1955年，瑞士和奧地利開始采用紫外線給水消毒技術(shù)，到了1985年這兩個國家分別大約有500和600個紫外線消毒設(shè)施已經(jīng)投入使用[7]。另外，比 利時、挪威和荷蘭也分別在1957年、1975年和1980年開始在城市給水中投入使用紫外線消毒技術(shù)（值得一提的是，比利時1957年建設(shè)的紫外線消毒 系統(tǒng)至今仍然在運轉(zhuǎn)）。到1996年為止，歐洲大約有2,000多個飲用水處理設(shè)施采用了紫外線消毒系統(tǒng)[7，9]。雖然紫外線給水消毒技術(shù)在歐洲已經(jīng)得 到了較為廣泛的應(yīng)用，但是在1989年美國環(huán)境保護(hù)署（US Environmental Protection Agency，簡稱“USEPA”）頒布的地表水處理條例（Surface Water Treatment Rule，簡稱“SWTR”）中，紫外線消毒技術(shù)仍然被認(rèn)為不能有效滅活水中藍(lán)氏賈第鞭毛蟲（Giardia lamblia）、隱性孢子菌（Cryptosporidium parvum）等水中有害病原菌，因此在美國仍然沒有得到重視。從1990年，美國水工業(yè)協(xié)會（AWWA）以及美國水工業(yè)研究基金會（AWWARF）才開 始投入大量資金對紫外線消毒技術(shù)展開全面系統(tǒng)的研究。這段時期（從20世紀(jì)50年代初到90年代中期）可以看作是紫外線給水消毒發(fā)展的第二個階段。在該階 段，紫外線給水消毒技術(shù)又重新被重視起來，并且在歐洲開始被廣泛應(yīng)用于城市給水消毒中。另外，在該時期紫外燈及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)得到了很大的提高，大 量企業(yè)開始涉足于紫外線消毒系統(tǒng)的生產(chǎn)、安裝以及配套服務(wù)的商業(yè)活動中。
1998~2000年期間，大量的研究發(fā)現(xiàn)紫外線消毒技術(shù)對 Cryptosporidium和Giardia有很好的滅活效果[1，2，10，11]。同時在2000年USEPA頒布的地下水消毒條例 （Groundwater Disinfection Rule, 簡稱“GWDR”）正式提到，對于殺活傳統(tǒng)消毒方法不能有效控制的有害病原微生物，紫外線消毒技術(shù)是最佳選擇之一[12]。1999年，國際紫外線協(xié)會 （International Ultraviolet Association，簡稱“IUVA”）成立，在國際上進(jìn)一步促進(jìn)了紫外線在各領(lǐng)域中應(yīng)用技術(shù)的研究和交流。2002年，USEPA頒布的增強地表水 處理條例草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，簡稱“LT2ESWTR”）以及消毒劑及消毒副產(chǎn)物條例草案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡稱“Stage 2 D/DBPR”）中，紫外線消毒技術(shù)被給予了特別的重視，被認(rèn)為是取代傳統(tǒng)消毒技術(shù)的最重要、最有效和最可行的消毒技術(shù)之一。另外在20世紀(jì)90年代末， 歐洲各國也頒布了一些有關(guān)紫外線給水消毒的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。從1998年開始，對紫外線消毒的重大發(fā)現(xiàn)以及IUVA的成立標(biāo)志著紫外線給水消毒的應(yīng)用和研究又 進(jìn)入了一個新的階段。
從上面的發(fā)展過程可以看出，雖然早在100多年前人們就開始了對紫外線消毒技術(shù)的研究和應(yīng)用，但是真正的重視和廣泛的應(yīng) 用的時間卻并不長。在1998年以前，世界上紫外線消毒技術(shù)在城市給水處理中的應(yīng)用主要集中在處理能力小于200 m3/h的中小型水廠。1998年以后，由于在紫外線消毒技術(shù)領(lǐng)域的一些突破性研究成果的發(fā)表，紫外線消毒技術(shù)才開始應(yīng)用于一些大規(guī)模的城市給水處理之 中。例如在1998~1999年間，芬蘭赫爾辛基市（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitk?koski給水廠分別進(jìn)行了改建，增加 了紫外線消毒系統(tǒng)，總處理能力約為12,000 m3/h[13]；加拿大埃德蒙頓市（Edmonton）EL Smith 給水廠在2002年左右也安裝了紫外線消毒設(shè)施，日處理能力為15,000 m3/h[14]。
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3．紫外線消毒技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
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3.1 紫外線消毒系統(tǒng)的經(jīng)濟指標(biāo)及處理效果
經(jīng) 過近100多年的發(fā)展，紫外線消毒系統(tǒng)設(shè)備（包括紫外燈、鎮(zhèn)流器、紫外感應(yīng)器、燈管清洗裝置及反應(yīng)器控制系統(tǒng)等）的生產(chǎn)技術(shù)有了很大的提高。這大大的降低 了紫外線消毒系統(tǒng)的運行費用，提高了其運行的穩(wěn)定性，為紫外線消毒技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了前提條件。根據(jù)Malley的研究，每1m3/d設(shè)計處理能力的紫 外線消毒系統(tǒng)建設(shè)費用約為10~20美元，每處理1立方米進(jìn)水的日常運行維護(hù)費用約為0.002~0.007美元；低壓紫外燈消毒系統(tǒng)適用于小型給水處理 設(shè)施，中壓紫外燈消毒系統(tǒng)對于處理能力高于8,000 m3/d的給水處理設(shè)施更適合[15]。對于不同規(guī)模的紫外燈給水消毒系統(tǒng)，其建設(shè)費用和運行管理費用的構(gòu)成比例是不同的。由表1可以看出，日處理能力越 大的系統(tǒng)，紫外燈系統(tǒng)設(shè)備費在建設(shè)費用中所占的比例越小，而電費在運行管理費用中的比例卻越大[16]。與其他類似水處理技術(shù)相比較，紫外線消毒具有投資 較少、操作簡單、占地面積小、處理效果較好等優(yōu)點。
另外，近年來對紫外線消毒性能的大量研究表明紫外線對水中一些頑固的有害微生物，如隱性孢 子菌（Cryptosporidium）、藍(lán)氏賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）、軍團菌（Legionella pneumophila）、沙門氏菌（Salmonella spp.）等，具有良好的滅活效果 [2，4，17，18，19]；另外還可以將水中的一些難分解有機污染物，如腐殖酸、MTBE、TCE、NDMA以及TNT等，氧化分解為簡單產(chǎn)物水、二 氧化碳等[20，21，22，23]。
3.2 各國對紫外線給水消毒處理的規(guī)定及應(yīng)用
紫外線消毒技術(shù)的這些優(yōu)點徹底改變了以前人們對其的看法，成為備受世界各國廣泛關(guān)注的一種給水消毒技術(shù)。下面就簡單列舉一些國家或地區(qū)目前應(yīng)用紫外線給水消毒技術(shù)的情況及有關(guān)規(guī)定。
美國
如上文所述，為了提高生活用水安全，減少水中有害微生物及消毒副產(chǎn)物，美國在2002年頒布了增強地表水處理條例草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，簡稱“LT2ESWTR”）以及消毒劑及消毒副產(chǎn)物條例草案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡稱“Stage 2 D/DBPR”）。LT2ESWTR適用于所有受地表水直接影響的地表或地下水源公共給水系統(tǒng)（Public Water Systems）。同時，為了保證紫外線消毒系統(tǒng)的處理效果，USEPA針對Giardia、Cryptosporidium和病毒的去除效率規(guī)定了消毒 系統(tǒng)中應(yīng)達(dá)到的最小紫外線通量的要求。
1．對于過濾系統(tǒng)，在滿足IESWTR和LT1ESWTR的基礎(chǔ)上，需額外達(dá)到的去除率；
2．對于非過濾系統(tǒng)，至少需達(dá)到的去除率；
3．運行年度均值（Running Annual Averages）；
4．消毒副產(chǎn)物最高允許的濃度水平（Maximum Contaminant Levels）；
5．個別監(jiān)測點運行年均值（Locational Running Annual Averages）；
6．Stage 2分Stage 2A和2B兩個階段實施；Stage 2實施時，Stage 1的條件也必須同時滿足。
Stage 2 D/DBPR主要針對那些應(yīng)用化學(xué)藥劑消毒的或者水中含有殘留消毒劑的地表或地下水源公有給水系統(tǒng)（community water systems）或永久性私有給水系統(tǒng)（nontransient noncommunity water systems），分Stage 2A和2B兩個階段實施。Stage 1只是規(guī)定了在每個運行年度各監(jiān)測點消毒副產(chǎn)物的總平均值最高濃度標(biāo)準(zhǔn)，也就是說允許個別監(jiān)測點處的消毒副產(chǎn)物濃度高于規(guī)定值。但是對于Stage 2來說，它不僅要求每個運行年度總的消毒副產(chǎn)物濃度水平不得超過Stage 1所規(guī)定的最高值，而且還限制了各個監(jiān)測點處的副產(chǎn)物濃度的最高值水平。由于紫外線消毒過程中，并不需要向水中加入任何化學(xué)藥劑，因此不存在出水中含有殘 留消毒劑的問題。另外，在目前的大量研究中，還沒有發(fā)現(xiàn)紫外線消毒過程可以產(chǎn)生有害的消毒副產(chǎn)物。因此，Stage 2對消毒副產(chǎn)物及殘留消毒劑濃度嚴(yán)格的要求，使得紫外線消毒技術(shù)在美國成為備受關(guān)注的一種給水處理技術(shù)，并且已有多家水處理廠（>800家）改擴建 或新建了紫外線消毒系統(tǒng)。特別是近5年來，紫外線消毒技術(shù)正逐漸開始應(yīng)用于一些大型的給水處理廠。據(jù)2000年美國環(huán)境保護(hù)署的一項調(diào)查報告，美國正在建 設(shè)幾個大型的紫外線給水消毒系統(tǒng)[24]。另外，在美國紫外線消毒技術(shù)還被廣泛的應(yīng)用于污水廠二級處理出水的消毒。
歐洲
在歐洲， 紫外線在給水消毒中的應(yīng)用具有較長的歷史，因此經(jīng)驗比較豐富。在1996~1997年間，奧地利和德國分別頒布了關(guān)于紫外線給水消毒的有關(guān)規(guī)定（奧地 利：?Norm M5873；德國：DVGW Standard W 294）。它們都規(guī)定了紫外線給水消毒系統(tǒng)的一些特點，并給出了關(guān)于消毒系統(tǒng)運行測試和檢測的程序和方法。與此同時，在維也納（Vienna）和波恩 （Bonn）分別建立了設(shè)計處理能力為400和3,000m3/h的紫外線給水消毒系統(tǒng)處理效果的測試基地，在這些試驗基地可以進(jìn)行不同操作條件下的生物 劑量試驗（Biodosimetry）[9，25]。根據(jù)規(guī)定（?Norm M5873 和 DVGW Standard W 294），給水廠紫外線消毒系統(tǒng)的測試和鑒定工作須在這些測試基地完成?？偟膩砜矗瑲W洲各國對紫外線消毒的一些規(guī)定比較類似。下面以DVGW Standard W 294為例簡單介紹一下這些規(guī)定的內(nèi)容。
DVGW Standard W 294針對紫外線給水消毒系統(tǒng)主要做了以下幾方面內(nèi)容的規(guī)定：
支 持材料：主要包括關(guān)于紫外燈、燈罩和紫外感應(yīng)器的詳細(xì)材料以及紫外消毒系統(tǒng)的裝配安裝、操作運行、反應(yīng)器清洗的程序和方法等。例如，材料中必須說明紫外燈 的類型、操作電源及輸出的紫外波普；如果是采用多波長的紫外燈，其紫外光波長必須大部分集中在240~290 nm的范圍內(nèi)；對于燈罩，必須得指出燈罩的材料、尺寸及紫外透射波普等；而對于紫外感應(yīng)器，應(yīng)說明其適用波長區(qū)間、測量范圍、測量誤差、影響因素、重新校 正的要求及周期等。
紫外感應(yīng)器：紫外感應(yīng)器的尺寸大小、性能特點、感應(yīng)器探測孔以及石英窗等都必須符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。每個紫外線消毒反應(yīng)器必須至少 安裝一個在線紫外感應(yīng)器，能夠?qū)崟r監(jiān)測反應(yīng)器中紫外燈的輸出功率，同時還需要另外一個紫外感應(yīng)器作為參照來驗證在線感應(yīng)器的輸出值。如果發(fā)現(xiàn)它們輸出值之 間的誤差超出允許范圍，那么在線紫外感應(yīng)器可能需要清洗、校正或者更換。每隔15個月，這些紫外感應(yīng)器需要重新測試和校正一次。另外，感應(yīng)器與被檢測紫外 燈之間的距離必須滿足以下條件：感應(yīng)器對紫外燈輸出功率的改變的敏感度與對進(jìn)水紫外透射度（UVT）的敏感度基本一致。
操作控制：要求必須連續(xù) 不間斷地對進(jìn)水流量、紫外感應(yīng)器輸出結(jié)果以及相應(yīng)的輸出紫外通量進(jìn)行監(jiān)測。反應(yīng)器中的輸出紫外通量必須要高于為保證給水消毒安全由生物劑量試驗得出的最低 紫外通量。另外，還應(yīng)有突發(fā)事件（如，燈管破裂或輸出紫外通量低于安全值等）的安全保護(hù)措施及報警機制等。
消毒效果測試（生物劑量試 驗）：DVGW Standard W 294 規(guī)定紫外線消毒的最小輸出紫外通量為40 mJ/cm2，由生物劑量試驗法測定反應(yīng)器的輸出紫外通量，并選定Bacillus Subtilis 孢子作為實驗過程中的目標(biāo)微生物。最小輸出紫外通量可以通過降低紫外燈功率（降低約30%）或者增加進(jìn)水對紫外線的吸光度（增加約20%）來確定。另外， 試驗方法、設(shè)備規(guī)格以及試驗條件等都作了具體的規(guī)定。
據(jù)不完全統(tǒng)計，目前歐洲至少有2000多套紫外線消毒系統(tǒng)被用于城市給水消毒，大部分的 處理能力都不超過1000m3/h，但是近年來也有一些大型的紫外線給水消毒系統(tǒng)開始投入建設(shè)和使用?？偟膩砜?，紫外線技術(shù)在歐洲國家主要應(yīng)用于城市給 水、桶/瓶裝水以及商業(yè)和景觀用水等的消毒處理中，只有個別應(yīng)用于污水消毒處理。
其他國家或地區(qū)
隨歐洲和美國之后，加拿大、澳大 利亞、新西蘭、新加坡、日本以及臺灣等國家和地區(qū)也紛紛展開了對紫外線消毒技術(shù)的研究和應(yīng)用。目前，加拿大安大略?。∣ntario）及魁北克省 （Quebec）正在制定新的城市給水處理標(biāo)準(zhǔn)。這些新的標(biāo)準(zhǔn)參考了美國LT2ESWTR及德國DVGW Standard W 294的相關(guān)內(nèi)容，對紫外線消毒系統(tǒng)的設(shè)計安裝、運行測試、管理維護(hù)等方面都作了詳細(xì)規(guī)定[26]。2000年新西蘭頒布了其最新版的生活應(yīng)用水標(biāo)準(zhǔn) （New Zealand Drinking Water Standards），加強了對水中Cryptosporidium和Giardia的去除率的要求，使得紫外消毒技術(shù)得到了進(jìn)一步的重視。在新西蘭，大 部分（約90%）的紫外線給水消毒設(shè)施用于服務(wù)人口為1000~1500人左右的城鎮(zhèn)小型給水處理廠[27]。2004年澳大利亞頒布的最新國家飲用水指 導(dǎo)方針（Australian Drinking Water Guidelines）中也對紫外線給水消毒技術(shù)與其他同類處理技術(shù)（氯、氯胺、二氧化氯、臭氧消毒等）進(jìn)行了分析對比（如表5所示），認(rèn)為紫外線是比較 適合中小規(guī)模城市給水處理的一種消毒技術(shù)[28]。
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4．目前存在的問題
紫外線給水消毒技術(shù)的最大缺點就是出水中沒有殘余消毒能力。也就是說，紫外線消毒對出水受到的二次污 染或者出水中的微生物通過自我修復(fù)機制對被紫外線破環(huán)的DNA或RNA進(jìn)行修復(fù)等無能為力。目前在紫外線給水消毒中，常采用的方法是在紫外線消毒流程之后 再加入適量氯胺等消毒劑以保持給水管網(wǎng)中的殘余消毒量。紫外線消毒對進(jìn)水水質(zhì)要求較高，如果進(jìn)水水質(zhì)差的話，不僅消毒效果將受到重大威脅，而且紫外燈系統(tǒng) 的工作周期和壽命也要受到影響，可能會出現(xiàn)消毒不完全或紫外燈（燈罩）結(jié)垢、破裂等問題。由于目前給水消毒中應(yīng)用的主要是水銀紫外燈，因此如果燈管破裂水 銀外漏，也可能會對給水安全造成威脅。對消毒反應(yīng)器中的輸出紫外通量的檢測也是一個影響紫外線給水消毒的重要問題。從上文中各國的規(guī)定可以看到，目前主要 采用生物計量法來檢測反應(yīng)器中的輸出紫外通量，然而這樣的實驗操作復(fù)雜并且需要較長的時間才能得到結(jié)果，不能及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，更不能實現(xiàn)在線實時監(jiān) 控。另外，目前還沒有一個系統(tǒng)全面的關(guān)于紫外線給水消毒方面的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
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