紫外線消毒技術(shù)在給水處理中的發(fā)展歷史及應(yīng)用現(xiàn)狀

摘要：本文回顧了紫外線消毒技術(shù)在給水處理中應(yīng)用的發(fā)展過(guò)程以及目前在各國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀。文章中以美國(guó)的LT2ESWTR和Stage 2 D/DBPR以及德國(guó)的DVGW Standard W 294等為例，簡(jiǎn)單討論了各國(guó)對(duì)紫外線給水消毒技術(shù)的有關(guān)規(guī)定。另外，對(duì)紫外線消毒技術(shù)目前存在的問(wèn)題作了簡(jiǎn)略分析。

關(guān)鍵詞：紫外線消毒，給水處理，法規(guī)

History and Current Application of Ultraviolet Disinfection in Drinking Water Treatment

By Feng, Yangang

Abstract: It was discussed about the historical development of ultraviolet (UV) disinfection process in drinking water treatment and the current application throughout the world. Based on the LT2ESWTR (USEPA), Stage 2 D/DBPR (USEPA), and DVGW Standard W 294 (Germany DVGW), regulations about UV disinfection were summarized. In addition, the disadvantages of UV disinfection were simply analyzed in this paper.

Key words: ultraviolet disinfection, drinking water treatment, regulations

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(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)在這些傳統(tǒng)的化學(xué)藥劑消毒過(guò)程中，會(huì)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(chóng)（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(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域，并且有越來(lái)越多的城鎮(zhèn)給水廠采用了紫外線消毒措施。本文擬對(duì)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(jiǎn)單介紹。

2．紫外線消毒的發(fā)展歷史

　　大約在1個(gè)多世紀(jì)以前，人們就開(kāi)始了對(duì)紫外線消毒機(jī)理和應(yīng)用的研究。早在1877年，Downs 和 Blunt 第一次報(bào)道了關(guān)于太陽(yáng)光輻射可以殺滅培養(yǎng)基中細(xì)菌的特性，這也揭開(kāi)了人們對(duì)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(duì)紫外線消毒技術(shù)發(fā)展過(guò)程中有重要意義的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用作一簡(jiǎn)單回顧。
　　1901年，汞燈開(kāi)始被用作人造紫外光源；1903年，Bernard 和 Morgan 發(fā)現(xiàn)了對(duì)生物最敏感的紫外光主要集中在波長(zhǎng)250 nm 左右的區(qū)域內(nèi)，Bang在1905年也報(bào)道了同樣的現(xiàn)象[5]。1904年，Kuch 造出了第一個(gè)石英紫外燈[6]。1906年，石英開(kāi)始大量被用于紫外燈生產(chǎn)和研究領(lǐng)域；1910年，在法國(guó)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(shí)踐中，日處理能力為200 m³/d；之后（約1911年），法國(guó)里昂市（Rouen）一個(gè)地下水源水廠也采用了紫外線消毒[7]。1916年，美國(guó)建設(shè)了第一個(gè)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(duì)紫外線消毒的機(jī)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(duì)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(gè)階段，在這個(gè)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(duì)消毒機(jī)理有了基本的認(rèn)識(shí)，同時(shí)紫外線消毒技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始被應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)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(wèn)題造成的。在此期間，大部分水廠都采用了技術(shù)相對(duì)成熟、操作簡(jiǎn)單、效益較好的氯消毒取代了紫外線消毒。1938年，美國(guó)Westinghouse Electric 公司展出了第一個(gè)熒光氣體放電管狀紫外燈（簡(jiǎn)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(kāi)始采用紫外線給水消毒技術(shù)，到了1985年這兩個(gè)國(guó)家分別大約有500和600個(gè)紫外線消毒設(shè)施已經(jīng)投入使用[7]。另外，比利時(shí)、挪威和荷蘭也分別在1957年、1975年和1980年開(kāi)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(shí)1957年建設(shè)的紫外線消毒系統(tǒng)至今仍然在運(yùn)轉(zhuǎn)）。到1996年為止，歐洲大約有2,000多個(gè)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(guó)環(huán)境保護(hù)署（US Environmental Protection Agency，簡(jiǎn)稱“USEPA”）頒布的地表水處理?xiàng)l例（Surface Water Treatment Rule，簡(jiǎn)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(chóng)（Giardia lamblia）、隱性孢子菌（Cryptosporidium parvum）等水中有害病原菌，因此在美國(guó)仍然沒(méi)有得到重視。從1990年，美國(guó)水工業(yè)協(xié)會(huì)（AWWA）以及美國(guó)水工業(yè)研究基金會(huì)（AWWARF）才開(kāi)始投入大量資金對(duì)紫外線消毒技術(shù)展開(kāi)全面系統(tǒng)的研究。這段時(shí)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(gè)階段。在該階段，紫外線給水消毒技術(shù)又重新被重視起來(lái)，并且在歐洲開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于城市給水消毒中。另外，在該時(shí)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(kāi)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(dòng)中。
　　1998~2000年期間，大量的研究發(fā)現(xiàn)紫外線消毒技術(shù)對(duì)Cryptosporidium和Giardia有很好的滅活效果[1，2，10，11]。同時(shí)在2000年USEPA頒布的地下水消毒條例（Groundwater Disinfection Rule, 簡(jiǎn)稱“GWDR”）正式提到，對(duì)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(guó)際紫外線協(xié)會(huì)（International Ultraviolet Association，簡(jiǎn)稱“IUVA”）成立，在國(guó)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(qiáng)地表水處理?xiàng)l例草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，簡(jiǎn)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(jiǎn)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(guó)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(kāi)始，對(duì)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(gè)新的階段。
　　從上面的發(fā)展過(guò)程可以看出，雖然早在100多年前人們就開(kāi)始了對(duì)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(shí)間卻并不長(zhǎng)。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(kāi)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Pitkäkoski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]。

3．紫外線消毒技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1 紫外線消毒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及處理效果
　　經(jīng)過(guò)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(yùn)行費(fèi)用，提高了其運(yùn)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(jì)處理能力的紫外線消毒系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用約為10~20美元，每處理1立方米進(jìn)水的日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(duì)于處理能力高于8,000 m³/d的給水處理設(shè)施更適合[15]。對(duì)于不同規(guī)模的紫外燈給水消毒系統(tǒng)，其建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行管理費(fèi)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(fèi)在建設(shè)費(fèi)用中所占的比例越小，而電費(fèi)在運(yùn)行管理費(fèi)用中的比例卻越大[16]。與其他類(lèi)似水處理技術(shù)相比較，紫外線消毒具有投資較少、操作簡(jiǎn)單、占地面積小、處理效果較好等優(yōu)點(diǎn)。表2簡(jiǎn)單比較了紫外線、臭氧以及膜三種水處理技術(shù)的運(yùn)行費(fèi)用及處理效果。

表 1：不同規(guī)模紫外線消毒系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行費(fèi)用比較^*

紫外燈給水消毒系統(tǒng)處理能力

費(fèi)用構(gòu)成

1,026 m³/d

64,600 m³/d

798,000 m³/d

各項(xiàng)建設(shè)費(fèi)用所占比例（%）

紫外燈系統(tǒng)設(shè)備

75

45

38

土建工程

18

20

22

電費(fèi)

7

14

16

各項(xiàng)運(yùn)行管理費(fèi)用所占比例（%）

電費(fèi)

9

44

53

人工費(fèi)

7

5

4

配件

84

51

43

*表1中數(shù)據(jù)的估算是根據(jù)2001年AWWA發(fā)布的費(fèi)用預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的。

表2: 紫外線等三種給水處理技術(shù)的綜合對(duì)比（1,600 m³/h）^*

紫外線（UV）

臭氧（O₃）

膜處理

建設(shè)費(fèi)用（$000）

350

1550

5000

運(yùn)行費(fèi)用（$/m³）

0.0025~0.005

0.0025~0.02

0.08

處理效果

較好

較好

一般

改進(jìn)及升級(jí)性能

容易

較難

較難

消毒副產(chǎn)物

尚未發(fā)現(xiàn)

溴酸鹽、AOC等

無(wú)

占地面積

較小

較大

較大

修理維護(hù)

較低

中等

中等

對(duì)水環(huán)境的影響

較低

中等

較低

*表2中的數(shù)據(jù)根據(jù)作者與James R. Bolton教授交流所得。

　　另外，近年來(lái)對(duì)紫外線消毒性能的大量研究表明紫外線對(duì)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(chóng)（Giardia lamblia）、軍團(tuán)菌（Legionella pneumophila）、沙門(mén)氏菌（Salmonella spp.）等，具有良好的滅活效果（如圖1所示）[2，4，17，18，19]；另外還可以將水中的一些難分解有機(jī)污染物，如腐殖酸、MTBE、TCE、NDMA以及TNT等，氧化分解為簡(jiǎn)單產(chǎn)物水、二氧化碳等[20，21，22，23]。

圖 1：各類(lèi)病原微生物滅活率為4 log所需的紫外通量[②]（mJ/cm²）

3.2 各國(guó)對(duì)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(diǎn)徹底改變了以前人們對(duì)其的看法，成為備受世界各國(guó)廣泛關(guān)注的一種給水消毒技術(shù)。下面就簡(jiǎn)單列舉一些國(guó)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(guó)
　　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(guó)在2002年頒布了增強(qiáng)地表水處理?xiàng)l例草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，簡(jiǎn)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(jiǎn)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）。從表3中可以看出，LT2ESWTR是建立在SWTR、IESWTR以及LT1ESWTR的基礎(chǔ)之上的，并且主要是針對(duì)隱性孢子菌的污染[7]。同時(shí)，為了保證紫外線消毒系統(tǒng)的處理效果，USEPA針對(duì)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，如表4所示[7]。

：美國(guó)關(guān)于給水消毒中微生物及消毒副產(chǎn)物的有關(guān)規(guī)定比較

有關(guān)地表水最低處理要求的條例

條例名稱

賈地鞭毛蟲(chóng)（Giardia）

病毒

隱性孢子菌（Cryptosporidium）

SWTR

去除 3 log

去除 4 log

沒(méi)有提及

IESWTR和LT1ESWTR

同上

同上

去除 2 log

LT2ESWTR

同上

同上

額外去除0~2.5 log¹

去除2~3 log²

有關(guān)消毒副產(chǎn)物的條例（基于RAA³的MCL⁴）

條例名稱

TTHM，ug/L

HAA5，ug/L

溴酸鹽，ug/L

次氯酸鹽，ug/L

Stage 1 DBPR

80 as RAA

60 as RAA

10

1000

Stage 2A DBPR⁶

120 as LRAA⁵

100 as LRAA

同上

同上

Stage 2B DBPR⁶

80 as LRAA

60 as LRAA

同上

同上

　 1．對(duì)于過(guò)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(duì)于非過(guò)濾系統(tǒng)，至少需達(dá)到的去除率；
　 3．運(yùn)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(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)行年均值（Locational Running Annual Averages）；
　 6．Stage 2分Stage 2A和2B兩個(gè)階段實(shí)施；Stage 2實(shí)施時(shí)，Stage 1的條件也必須同時(shí)滿足。

表 4：消毒系統(tǒng)中所需達(dá)到的輸出紫外通量（mJ/cm²）^*

病原微生物的去除率（log）

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Cryptosporidium

1.6

2.5

3.9

5.8

8.5

12

Giardia

1.5

2.1

3.0

5.2

7.7

11

病毒

39

58

79

100

121

143

163

186

*表中數(shù)據(jù)在應(yīng)用時(shí)，必須考慮紫外燈的狀態(tài)、進(jìn)水流量、紫外輻射度以及進(jìn)水特性等條件。

　　Stage 2 D/DBPR主要針對(duì)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(gè)階段實(shí)施。如表3所示，Stage 1只是規(guī)定了在每個(gè)運(yùn)行年度各監(jiān)測(cè)點(diǎn)消毒副產(chǎn)物的總平均值最高濃度標(biāo)準(zhǔn)，也就是說(shuō)允許個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的消毒副產(chǎn)物濃度高于規(guī)定值。但是對(duì)于Stage 2來(lái)說(shuō)，它不僅要求每個(gè)運(yùn)行年度總的消毒副產(chǎn)物濃度水平不得超過(guò)Stage 1所規(guī)定的最高值，而且還限制了各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的副產(chǎn)物濃度的最高值水平。由于紫外線消毒過(guò)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(wèn)題。另外，在目前的大量研究中，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)紫外線消毒過(guò)程可以產(chǎn)生有害的消毒副產(chǎn)物。因此，Stage 2對(duì)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(guó)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(kuò)建或新建了紫外線消毒系統(tǒng)。特別是近5年來(lái)，紫外線消毒技術(shù)正逐漸開(kāi)始應(yīng)用于一些大型的給水處理廠。據(jù)2000年美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的一項(xiàng)調(diào)查報(bào)告，美國(guó)正在建設(shè)幾個(gè)大型的紫外線給水消毒系統(tǒng)[24]。另外，在美國(guó)紫外線消毒技術(shù)還被廣泛的應(yīng)用于污水廠二級(jí)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(zhǎng)的歷史，因此經(jīng)驗(yàn)比較豐富。在1996~1997年間，奧地利和德國(guó)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：ÖNorm M5873；德國(guó)：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(diǎn)，并給出了關(guān)于消毒系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試和檢測(cè)的程序和方法。與此同時(shí)，在維也納（Vienna）和波恩（Bonn）分別建立了設(shè)計(jì)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(cè)試基地，在這些試驗(yàn)基地可以進(jìn)行不同操作條件下的生物劑量試驗(yàn)（Biodosimetry）[9，25]。根據(jù)規(guī)定（ÖNorm M5873 和 DVGW Standard W 294），給水廠紫外線消毒系統(tǒng)的測(cè)試和鑒定工作須在這些測(cè)試基地完成?？偟膩?lái)看，歐洲各國(guó)對(duì)紫外線消毒的一些規(guī)定比較類(lèi)似。下面以DVGW Standard W 294為例簡(jiǎn)單介紹一下這些規(guī)定的內(nèi)容。
　　DVGW Standard W 294針對(duì)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(yùn)行、反應(yīng)器清洗的程序和方法等。例如，材料中必須說(shuō)明紫外燈的類(lèi)型、操作電源及輸出的紫外波普；如果是采用多波長(zhǎng)的紫外燈，其紫外光波長(zhǎng)必須大部分集中在240~290 nm的范圍內(nèi)；對(duì)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(duì)于紫外感應(yīng)器，應(yīng)說(shuō)明其適用波長(zhǎng)區(qū)間、測(cè)量范圍、測(cè)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(diǎn)、感應(yīng)器探測(cè)孔以及石英窗等都必須符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)紫外線消毒反應(yīng)器必須至少安裝一個(gè)在線紫外感應(yīng)器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器中紫外燈的輸出功率，同時(shí)還需要另外一個(gè)紫外感應(yīng)器作為參照來(lái)驗(yàn)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(gè)月，這些紫外感應(yīng)器需要重新測(cè)試和校正一次。另外，感應(yīng)器與被檢測(cè)紫外燈之間的距離必須滿足以下條件：感應(yīng)器對(duì)紫外燈輸出功率的改變的敏感度與對(duì)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(duì)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(cè)。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(yàn)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(bào)警機(jī)制等。
• 消毒效果測(cè)試（生物劑量試驗(yàn)）：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(yàn)法測(cè)定反應(yīng)器的輸出紫外通量，并選定Bacillus Subtilis 孢子作為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的目標(biāo)微生物。最小輸出紫外通量可以通過(guò)降低紫外燈功率（降低約30%）或者增加進(jìn)水對(duì)紫外線的吸光度（增加約20%）來(lái)確定。另外，試驗(yàn)方法、設(shè)備規(guī)格以及試驗(yàn)條件等都作了具體的規(guī)定。根據(jù)該規(guī)定，紫外線消毒效果測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖 2：紫外線消毒效果測(cè)試系統(tǒng)示意圖

　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(guò)1000m³/h，但是近年來(lái)也有一些大型的紫外線給水消毒系統(tǒng)開(kāi)始投入建設(shè)和使用?？偟膩?lái)看，紫外線技術(shù)在歐洲國(guó)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(gè)別應(yīng)用于污水消毒處理。

　　其他國(guó)家或地區(qū)
　　隨歐洲和美國(guó)之后，加拿大、澳大利亞、新西蘭、新加坡、日本以及臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)也紛紛展開(kāi)了對(duì)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?。≦uebec）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(guó)LT2ESWTR及德國(guó)DVGW Standard W 294的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)紫外線消毒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝、運(yùn)行測(cè)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(qiáng)了對(duì)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(guó)家飲用水指導(dǎo)方針（Australian Drinking Water Guidelines）中也對(duì)紫外線給水消毒技術(shù)與其他同類(lèi)處理技術(shù)（氯、氯胺、二氧化氯、臭氧消毒等）進(jìn)行了分析對(duì)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]。

表 5：幾種常用消毒技術(shù)的綜合比較

消毒處理技術(shù)

細(xì)菌

病毒

原生動(dòng)物

綜合效果

消毒副產(chǎn)物

氯消毒

較好

較好

一般

好

THMs/HAAs

氯胺

一般

差

較差

差

較少

二氧化氯

較好

較好

一般

好

亞硝酸鹽

臭氧

較好

較好

較好

較好

溴酸鹽

紫外線

較好

一般

好

好

尚未發(fā)現(xiàn)

4．目前存在的問(wèn)題
　　紫外線給水消毒技術(shù)的最大缺點(diǎn)就是出水中沒(méi)有殘余消毒能力。也就是說(shuō)，紫外線消毒對(duì)出水受到的二次污染或者出水中的微生物通過(guò)自我修復(fù)機(jī)制對(duì)被紫外線破環(huán)的DNA或RNA進(jìn)行修復(fù)等無(wú)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(duì)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(huì)出現(xiàn)消毒不完全或紫外燈（燈罩）結(jié)垢、破裂等問(wèn)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(huì)對(duì)給水安全造成威脅。對(duì)消毒反應(yīng)器中的輸出紫外通量的檢測(cè)也是一個(gè)影響紫外線給水消毒的重要問(wèn)題。從上文中各國(guó)的規(guī)定可以看到，目前主要采用生物計(jì)量法來(lái)檢測(cè)反應(yīng)器中的輸出紫外通量，然而這樣的實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜并且需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能得到結(jié)果，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，更不能實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外，目前還沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)全面的關(guān)于紫外線給水消毒方面的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

5．參考文獻(xiàn)

[1] Jennifer L. Clancy, Zia Bukhari, James R. Bolton, Bertrand W. Dussert, and Marilyn M. Marshall (2000). Using UV to Inactivate Cryptosporidium. Journal of AWWA, Vol. 92, No. 9, pp. 97~104;
[2] Zia Bukhari, James R. Bolton, Bertrand Dussert, and Jennifer L. Clancy (1999). Medium-pressure UV for Oocyst Inactivation. Journal of AWWA, Vol. 91, No. 3, pp. 86~94;
[3] Stephen A. Craik, Gordon R. Finch, James R. Bolton, and Miodrag Belosevic (2000). Inactivation of Giardia Muris Cysts Using Medium-pressure Ultraviolet Radiation in Filtered Drinking Water. Water Research, Vol. 34, No. 18, pp. 4325~4332;
[4] Stephen A. Craik, Daniela Weldon, Gordon R. Finch, James R. Bolton, and Miodrag Belosevic (2001). Inactivation of Cryptosporidium Parvum Oocysts Using Medium- and Low-pressure Ultraviolet Radiation. Water Research, Vol. 35, No. 6, pp. 1387~1398;
[5] G. Elliott Whitby and O. Karl Scheible (2004). The History of UV and Wastewater. IUVA News, Vol. 6, No. 3, pp. 15~26;
[6] Willy J. Masschelein (2002). Ultraviolet Light in Water and Wastewater Sanitation. CRC Press LLC, 2000 NW Corporate Blvd., Boca Raton, Florida 33431;
[7] US Environmental Protection Agency (USEPA) (2003). Ultraviolet Disinfection Guidance Manual. EPA 815-D-03-007, June 2003 draft, 1200 Pennsylvania Avenue NW Washington, DC 20460-0001
[8] Walter Lorch (editor) (1987). Handbook of Water Purification (2^nd edition). John Wiley & Sons, Chichester, UK;
[9] Oluf Hoyer (2000). The Status of UV Technology in Europe. IUVA News, Vol. 2, No. 1, pp. 3~14;
[10] Gordon R. Finch and Miodrag Belosevic (1999). Presentation to the U.S. EPA Stage 2 FACA: Ultraviolet Technology Work Group, September 10, 1999, U.S. EPA, Washington, D.C.;
[11] Andrew T. Campbell and Peter Wallis (2002). The Effect of UV Irradiation on Human-derived Giardia lamblia Cysts. Water Research, Vol. 36, pp. 963~969;
[12] US Environmental Protection Agency (USEPA) (2000). National Primary Drinking Water Regulations: Ground Water Rule (proposed). Federal Register 65 (91): 30193, 2000;
[13] Eira Toivanen (2000). Experiences with Disinfection at Helsinki Water. IUVA News, Vol. 2, No. 6, pp. 5~14;
[14] James R. Bolton (2002). Edmonton’s EPCOR UV Installation – Currently the World’s Largest. IUVA News, Vol. 4, No. 4, pp. 18;
[15] James P. Malley (2000). Engineering of UV Disinfection Systems for Drinking Water. IUVA News, Vol. 2, No. 3, pp. 4~15;
[16] Christine Cotton and Doug Owen (2002). The Cost of UV Disinfection for Water Treatment. IUVA Southeast Workshop, September 6, 2002
[17] K. Yamagiwa, M. Tsujikawa, M. Yoshida, and A. Ohkawa (2002). Disinfection Kinetics of Legionella Pneumophila by Ultraviolet Irradiation. Water Science and Technology, Vol. 46, No. 11-12, pp. 311~317;
[18] R. Keller, F. Passamani, L. Vaz, S. T. Cassini, and R. F. Goncalves (2003). Inactivation of Salmonella spp. From Secondary and Tertiary Effluents by UV Irradiation. Water Science and Technology, Vol. 47, No. 3, pp. 147~150;
[19] J. Cosman and H. Wright (2000). UV Disinfection for Drinking Water. IUVA News, Vol. 2, No. 3, pp. 40~48;
[20] Gen-shun Wang, Su-ting Hsieh, and Chia-swee Hong (2000). Destruction of Humic Acid in Water by UV Light-catalyzed Oxidation with Hydrogen peroxide. Water Research, Vol. 34, No. 15, pp. 3882~3887;
[21] Mihaela I. Stefan, John Mack, and James R. Bolton (2000). Degradation Pathways During the Treatment of Methyl tert-Butyl Ether by the UV/H2O2 Process. Environmental Science and Technology, Vol. 34, pp. 650~658;
[22] Mihaela I. Stefan and James R. Bolton (2002). UV Direct Photolysis of Nitrosodimethylamine (NDMA): Kinetic and Product Study. Helvetica Chimica Acta, Vol. 85, pp. 1416~1426;
[23] Raafat Alnaizy and Aydin Akgerman (1999). Oxidative treatment of high explosives contaminated wastewater. Water Research, Vol. 33, No. 9, pp. 2021~2030;
[24] U.S. Environmental Protection Agency (2000). Technical memorandum: Worldwide ultraviolet disinfection installations for drinking water. Office of Groundwater and Drinking Water, Washington, DC.
[25] Oluf Hoyer (2000). UV Disinfection in Drinking Water Supply. IUVA News, Vol. 2, No. 5, pp. 15~21;
[26] Ron Hofmann, Bob Andrews, and Pat Lachmaniuk (2004). Guidelines for Ultraviolet Disinfection of Drinking Water: Considerations for Ontario. Journal of Toxicology and Environmental Health (Part A), Vol. 67, pp. 1805~1812;
[27] Steve Warne (2000). UV Disinfection in New Zealand. IUVA News, Vol. 2, No. 6, pp. 11~17;
[28] National Health and Medical Research Council (NHMRC) and Natural Resource Management Ministerial Council (NRMMC) (2004). National Water Quality Management Strategy: Australian Drinking Water Guidelines. Endorsed by NHMRC 10 – 11 April 2003.

---

[①] 即inactivation，使微生物失去活性或繁殖能力，不等于全部殺死這些微生物。

[②] 即UV fluence，是指所有被目標(biāo)微生物所吸收的紫外線的量，與紫外線劑量（UV dose）有本質(zhì)區(qū)別。