1．引（yǐn）言

在城鎮給水處理中，通常采用投加化學藥劑（例如Cl2, ClO2, 或者O3等）的消毒方法。近些年來，研究人員發現在這些傳統的化學（xué）藥劑消毒過程中，會產生一些有害的消毒副產物（DBPs），如（rú）THM，HAA，以及 HBr 等。由於紫外線（xiàn）消毒不需要往水中投加任何化學物質，並且可以滅活一些傳統化學藥劑不能殺死的有害微生物，如隱性孢子（zǐ）菌（cryptosporidium ）和藍氏賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）等[1，2，3，4]，因此紫外（wài）線消毒受到了特別的重視。目（mù）前在北美和歐洲，紫外（wài）線消毒技術及其應用是一個十分（fèn）活躍的研究領域，並且有越 來越多（duō）的城鎮給水廠采用了紫外線消毒措施。本文擬對紫外線消毒技術在給（gěi）水處理中應用的發展曆史及應用（yòng）現狀作一簡單介紹。

2．紫外線消毒的發展曆史

大約在1個多世紀以（yǐ）前，人們就（jiù）開始了對紫外線消毒機理和應用的（de）研究。早在1877年，Downs 和 Blunt 第一次報道（dào）了關於太（tài）陽光輻射可（kě）以殺滅培養基（jī）中細菌的特（tè）性，這也揭（jiē）開了人們對紫外線消毒研究和應用的（de）序幕[5]。但是，早期的研究和應（yīng）用在（zài）很大程度上受到了 紫外線（xiàn）消毒（dú）硬件設施生（shēng）產技術的（de）局限，這主（zhǔ）要體現在（zài）紫外燈、鎮流器、紫外感（gǎn）應器（UV sensor）等生產技術領域。下麵對紫外（wài）線消毒（dú）技術發展（zhǎn）過程中有重（chóng）要意義（yì）的發明、發現和應用作一簡單回顧。
1901年，汞燈開始被用作人造 紫（zǐ）外光源；1903年，Bernard 和 Morgan 發現了對生物最敏感的紫外光主要集（jí）中在波長（zhǎng）250 nm 左右的區域內，Bang在1905年也報道了同樣的現象[5]。1904年，Kuch 造出了第一個（gè）石英（yīng）紫外燈[6]。1906年，石英開始大量被用於紫外燈生產和研究（jiū）領域；1910年，在法國馬賽市（Marseilles），紫外線消毒係 統第一次（cì）被用於城市給水處（chù）理的生產實踐中，日處理能力為200 m3/d；之後（約1911年），轎車托（tuō）運法國裏昂市（Rouen）一個地下水源水廠也（yě）采用了紫外（wài）線消毒[7]。1916年，美國建設了第一個紫外線消毒係統，用 於肯塔基州亨德森市（Henderson）12,000居民的生活用水（shuǐ）消毒（dú）；然後在（zài）隨後的幾年內（1923~1928年），在俄亥俄州伯利（lì）亞市 （Berea）、肯薩斯州霍爾（ěr）頓市（Horton）、俄亥俄州匹茲堡市（Perrysburg）等地也（yě）陸續采用了紫外線消毒技術[6]。1929 年，Gates 對紫外線消（xiāo）毒的機理做了深入地研究，並第一次確（què）立了細（xì）菌的滅活[①]與核酸對紫外線（xiàn）的吸收之間的聯係[7]。從1887年到1930年可以劃為紫外線給水 消毒發展的第一個階段（duàn），在這個階段，紫外（wài）線（xiàn）消（xiāo）毒係統的生產技術有了初步的發展，人們對消毒機理有了基本（běn）的認識，同時紫外線消毒（dú）技術已經開始被應用於生產實 踐。
20世紀30年代中後期，紫外線消毒的研究和應用出現了一次低（dī）穀，這主要是由於紫（zǐ）外燈的（de）壽命、設備的操作和維護以及消毒處理效率（lǜ）和成本等 問題造成的（de）。在此期間，大部分（fèn）水廠（chǎng）都（dōu）采用了技術相對成熟、操作簡單、效益（yì）較好的氯消毒取代了紫外線消毒。1938年，美國Westinghouse Electric 公（gōng）司（sī）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（de）壽命和輸出功率得到了逐步的提高。20世紀40年代，紫外燈及鎮流器的生產技術 得到了進一步的提高，這為以後紫外線消毒技術的使（shǐ）用和推廣奠定了基礎[8]。
20世紀50年代，由於一些化學藥（yào）劑消毒副產物的發現（xiàn）以及在紫外 燈及相關設備生產技術的不（bú）斷提高，紫外線消毒（dú）技術的研究和應用又得到（dào）了全（quán）麵的重（chóng）視。特別是在歐洲，紫（zǐ）外線消毒技術再次被廣（guǎng）泛應用於城鎮給（gěi）水處理之中。 1955年，瑞士和奧地（dì）利開始采用紫外線給水消毒（dú）技術，到了（le）1985年這兩個國家分別大約有500和600個紫外線消毒設施已經投入使用[7]。另外，比（bǐ） 利時、挪威和荷（hé）蘭（lán）也分別在1957年、1975年和（hé）1980年開始（shǐ）在城市給水中投（tóu）入使用紫外線消毒技術（值得一提的是，比（bǐ）利時（shí）1957年（nián）建設的（de）紫（zǐ）外線消毒 係統至今仍然在運轉）。到1996年為止，歐洲大約有2,000多個飲用水處理設施采用了（le）紫外線消毒係統[7，9]。雖然紫（zǐ）外線給水（shuǐ）消毒技術在歐洲（zhōu）已經得 到了較為廣泛的應用，但是在1989年美（měi）國環境（jìng）保護署（US Environmental Protection Agency，簡稱“USEPA”）頒布的地表水處理條例（lì）（Surface Water Treatment Rule，簡稱“SWTR”）中，紫外（wài）線消毒技術仍然被認（rèn）為不能有效滅活水（shuǐ）中藍氏賈第鞭毛蟲（Giardia lamblia）、隱性孢子（zǐ）菌（Cryptosporidium parvum）等（děng）水中有害病原菌，因（yīn）此在美國仍（réng）然沒有得到（dào）重視。從1990年，美國水工業協會（AWWA）以及美國水工（gōng）業研究基金會（AWWARF）才開 始投入大量資金（jīn）對紫外線消毒技術展開全麵（miàn）係統的研究。這段時期（從20世紀50年代初到90年代中期）可以看作是紫外線給水消（xiāo）毒發展的第二個階（jiē）段。在（zài）該階 段（duàn），紫外線給（gěi）水消毒技術（shù）又重新被（bèi）重視起來，並（bìng）且在歐洲開（kāi）始被廣泛應用於城市給水（shuǐ）消毒中。另外，在該時期紫外燈及相關（guān）係統設備生產（chǎn）技術得到了很大的提高，大 量企業開始涉足於紫外線消毒係統的生產、安裝以及配套服務（wù）的商業活動中。
1998~2000年期間，大量的研究發現紫外線消毒技術對 Cryptosporidium和Giardia有很好的滅活效果[1，2，10，11]。同（tóng）時在2000年USEPA頒布的地下水（shuǐ）消毒條（tiáo）例 （Groundwater Disinfection Rule, 簡稱（chēng）“GWDR”）正式提到，對於殺活傳統消毒方法（fǎ）不能有效控（kòng）製的有害病原微生物（wù），紫外線消毒技術是最佳選擇之一[12]。1999年，國際紫外線協會 （International Ultraviolet Association，簡稱（chēng）“IUVA”）成（chéng）立，在國際（jì）上（shàng）進一步促進了紫外線在各（gè）領域中應用（yòng）技術的研究和交流。2002年，USEPA頒布的（de）增強地表水 處（chù）理（lǐ）條例草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，簡（jiǎn）稱“LT2ESWTR”）以（yǐ）及消毒（dú）劑及（jí）消毒副產物條例草案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡稱“Stage 2 D/DBPR”）中，紫外線消毒技術被給予了特別的重視（shì），被認為是取代傳統消毒技術的最重要、最有效和最可行的消毒技術之一。另外在20世紀（jì）90年代末（mò）， 歐洲各國也頒布了一些有關紫外線（xiàn）給水消毒的規定和標準。從1998年開始，對紫外線消毒的重大發（fā）現以及IUVA的成立標誌著紫外線（xiàn）給水消毒的應用和研究又 進入了一個新的階段。
從上麵的發（fā）展過程可以看出（chū），雖然早在100多年前人們就開（kāi）始了對紫外線消（xiāo）毒（dú）技術的研究和（hé）應用，但是真正的重視和廣泛（fàn）的應 用的時（shí）間卻並不長。在1998年以前，世界上紫外線消毒（dú）技術在城市給水處理中的應用主要集中在（zài）處理能力小（xiǎo）於200 m3/h的中小（xiǎo）型水廠。1998年以後，由於在紫外線消毒技術領域的一些突（tū）破性研究成果的發表，紫外線消毒技術才開始應用於一些大（dà）規模的城（chéng）市給水處理之 中。例如在1998~1999年間，芬（fēn）蘭赫爾辛基市（shì）（Helsinki）的（de）Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水廠分別進行了改建，增加 了紫外線消毒係（xì）統，總處理能力約為12,000 m3/h[13]；加拿大埃德蒙頓市（shì）（Edmonton）EL Smith 給水廠在2002年左右（yòu）也安裝了（le）紫（zǐ）外（wài）線消毒設施，日處理能力為15,000 m3/h[14]。

3．紫外線消毒技術的應用現狀

3.1 紫外線消毒係統的經濟指標及處理效果
　　經 過近100多年的發展，紫外線消毒係統設備（包括紫（zǐ）外燈、鎮流器、紫外感應器、燈管清洗裝置及反應器（qì）控製係統等（děng））的生產技術有了很大的提高。這大大的降低 了（le）紫外線消毒係（xì）統的運行費用，提高了其運行的穩定性，為紫外線消毒技術的廣泛應用提供了前提（tí）條件。根據Malley的研（yán）究，每1m3/d設計（jì）處理能力的紫（zǐ） 外線消毒係（xì）統建設費用約為10~20美元，每處理1立方（fāng）米進水的（de）日常運行維護（hù）費（fèi）用約為0.002~0.007美元；低壓紫外燈（dēng）消毒係統適用於小型給水（shuǐ）處理 設（shè）施，中壓紫外燈消（xiāo）毒係統對於處理能力高（gāo）於8,000 m3/d的給水處理設施更適（shì）合[15]。對於不同規模（mó）的紫外燈給水消毒係統，其（qí）建設費用和運行管理費用的構成比（bǐ）例是不同的。由表1可以看出，日處理能力越 大的係統，紫外燈係統（tǒng）設備費在建設費用中所占的比例越小，而電費在運行管理費用中（zhōng）的比例（lì）卻越大[16]。與（yǔ）其他類似水處理技術相比較，紫外線消毒（dú）具有投資 較少、操作簡單、占（zhàn）地麵積小（xiǎo）、處理效果較好等優點。
另外（wài），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（rú）隱性（xìng）孢 子菌（Cryptosporidium）、藍氏（shì）賈地鞭毛蟲（chóng）（Giardia lamblia）、軍（jun1）團菌（Legionella pneumophila）、沙門氏（shì）菌（Salmonella spp.）等，具有良好的滅活效（xiào）果 [2，4，17，18，19]；另外還可以將水中的一些難分解有機汙染物，如腐殖酸、MTBE、TCE、NDMA以及TNT等，氧化分解為簡單產物水、二 氧化碳等（děng）[20，21，22，23]。

3.2 各國（guó）對紫外線給水消毒處理的規定及應用
紫外線消毒技術的這些優點徹底改變了以前人們對其的看法（fǎ），成為備受世界各國廣泛關注的一種（zhǒng）給水消毒技術（shù）。下麵（miàn）就（jiù）簡單列舉（jǔ）一些國家或地區目前（qián）應用紫（zǐ）外線給水消毒技術的情況及有關規（guī）定。
美國
如上文所述，為了提高生活用水安（ān）全，減少水中有（yǒu）害微生物及（jí）消毒副產物，美國（guó）在2002年頒（bān）布了增強地表水（shuǐ）處理條例草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，簡稱“LT2ESWTR”）以及（jí）消毒劑及（jí）消毒副產物條例草案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡稱“Stage 2 D/DBPR”）。LT2ESWTR適用於所有受地表水直接影響的（de）地表或地下水源公共給水係統（Public Water Systems）。同時，為了保證紫外線消毒係統的處理效果，USEPA針對Giardia、Cryptosporidium和病毒（dú）的去除效率規定了消毒 係統中應達到的最小（xiǎo）紫外線通量的要求。
1．對於過（guò）濾（lǜ）係統，在滿（mǎn）足IESWTR和（hé）LT1ESWTR的基礎上，需（xū）額外達（dá）到的去（qù）除率；
2．對於非過濾（lǜ）係統，至少（shǎo）需達到的（de）去除率；
3．運行年（nián）度均值（Running Annual Averages）；
4．消毒副產物最高允許的濃（nóng）度水平（Maximum Contaminant Levels）；
5．個別（bié）監測（cè）點運（yùn）行年均值（locationsal 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（tiáo）件也必須同時滿足。
Stage 2 D/DBPR主要（yào）針對那些（xiē）應用化學藥劑消毒的（de）或者水中含有殘（cán）留消毒劑的地表（biǎo）或地（dì）下水源公有給水係統（community water systems）或永久性私有給水係統（nontransient noncommunity water systems），分Stage 2A和2B兩個階段實施。Stage 1隻是規定了在每個運行年度各監測點消毒副產物的總平均值最高濃度標準，也就是說允許個別監測點處的消毒副產物（wù）濃度高於規定值。但是對於Stage 2來說，它不僅要求每個（gè）運行年度總（zǒng）的消毒副產物（wù）濃度水平（píng）不得超過Stage 1所規定的最高值（zhí），而且（qiě）還限製（zhì）了各個監測點處的副產物濃度的最高值水平。由於紫外（wài）線消毒過程中（zhōng），並不需要向（xiàng）水中加入任（rèn）何化學藥（yào）劑，因此不存在出水中含有殘 留消毒劑（jì）的問題。另外，在目前的大量研究中，還沒有發現紫外線消毒（dú）過程可以產生（shēng）有（yǒu）害的消毒副產物。因此，Stage 2對消毒副產物及殘留消（xiāo）毒劑（jì）濃度嚴格的要求（qiú），使得紫外線消毒（dú）技術（shù）在（zài）美國成為備受關注的一種給水處理（lǐ）技術，並且已有多家水處（chù）理廠（>800家）改擴建 或新建（jiàn）了紫外線消毒（dú）係統。特別是近5年來，紫外線消毒技術（shù）正逐漸開始應用於（yú）一些大型的給水處理廠。據2000年美國環境保護（hù）署的一項調查報告，美國正（zhèng）在建 設幾個大型的紫外線給水消毒係統[24]。另外，在（zài）美（měi）國紫外線消毒（dú）技術（shù）還被廣泛的應用於汙水廠二（èr）級處理（lǐ）出水的消毒。
歐洲
在（zài）歐洲， 紫外線在給水消毒中（zhōng）的應用具有較（jiào）長的曆史，因（yīn）此經驗比（bǐ）較豐富。在1996~1997年（nián）間，奧地（dì）利和德國分別頒布了關於紫外線給（gěi）水消毒的有關規定（dìng）（奧地（dì） 利：ÖNorm M5873；德國（guó）：DVGW Standard W 294）。它們都（dōu）規定了紫外線給水消（xiāo）毒係統的一些特點，並給出了關於消（xiāo）毒係統運行測試（shì）和檢（jiǎn）測的程序和（hé）方（fāng）法。與（yǔ）此同時，在維也（yě）納（Vienna）和（hé）波恩 （Bonn）分別建立了設計處理能力為400和3,000m3/h的（de）紫外線給水消毒係統處理效果的測試基地（dì），在這些試驗基地可以進行不同操作條件下的（de）生（shēng）物 劑量試驗（Biodosimetry）[9，25]。根據（jù）規定（ÖNorm M5873 和 DVGW Standard W 294），給水廠紫外線（xiàn）消毒（dú）係統的測試和鑒定工作須在這些測試基地完成。總的來（lái）看，歐洲各國對紫外線消毒的一些規定比較類似。下麵以DVGW Standard W 294為例簡單介紹一下這些規（guī）定的（de）內容。
DVGW Standard W 294針對紫外線給水消毒（dú）係統（tǒng）主（zhǔ）要做了以下（xià）幾方麵內容的規定：
支 持材（cái）料（liào）：主要包（bāo）括關於紫外燈、燈罩和紫外感應（yīng）器的詳細材料以及紫外消毒（dú）係統的裝配安裝、操作運行、反應（yīng）器清洗的程序（xù）和方法等。例如（rú），材料中必（bì）須（xū）說明紫（zǐ）外燈 的類型、操（cāo）作電源及輸出的紫外波普；如果是采用多波長的（de）紫外燈，其紫外光波長（zhǎng）必（bì）須大（dà）部分集中在240~290 nm的範圍內；對於燈罩，必須得指出燈罩的（de）材料、尺寸及紫外透（tòu）射波普等（děng）；而對於（yú）紫外感應器，應說明其適用（yòng）波長區間、測量範圍、測量誤差、影響因素、重新校 正的要求及周期等。
紫外感應器：紫外感應器的尺寸（cùn）大小、性能特點、感應器探測孔以及石英窗等都必須符合（hé）規定標準。每個（gè）紫外線（xiàn）消毒反應器必（bì）須至少 安裝一（yī）個在線紫外感應器，能夠實時（shí）監（jiān）測反應器中紫外燈的輸出功率，同時（shí）還（hái）需要另外一個紫外感應器作為參照來驗證（zhèng）在線感應器的輸出值。如果（guǒ）發現它們輸出值之 間的誤差超出（chū）允許範圍，那麽在線紫外感（gǎn）應器可能需要清洗、校正或者更換。每隔15個月（yuè），這些紫外感應器需要重新測試和校正一次。另外，感應器與被檢測（cè）紫外 燈（dēng）之（zhī）間的（de）距離必須滿足以下條件（jiàn）：感（gǎn）應器對紫外燈輸出功率的改變的敏感度與對進水紫外透射度（UVT）的敏感度（dù）基本一致。
操作控製：要求必須連續 不間斷地對（duì）進水流量、紫外感應器輸出結（jié）果以及相應的輸出紫外（wài）通量進行監測。反應器中的輸出紫外通量必須要高於為保證給水消（xiāo）毒安全由生物劑（jì）量試驗得出的最低 紫外通量。另外，還應有突發事件（如，燈管（guǎn）破裂或輸出紫外通量低於安（ān）全值等）的安全保護措施及報警機製等。
消毒效果測試（生物劑量試（shì） 驗）：DVGW Standard W 294 規定紫外線消毒（dú）的最小輸出紫外通量為40 mJ/cm2，由（yóu）生物劑（jì）量試驗法測定反（fǎn）應器的輸出紫外通量，並選定Bacillus Subtilis 孢子（zǐ）作為實驗過程中的目標微生物（wù）。最小輸出（chū）紫外通量可以通過降低紫外燈功率（降低約30%）或者增加（jiā）進水對紫外線的吸光度（增加約20%）來確定。另外， 試驗方法、設備規（guī）格以及試驗條件等都作了具體的規定。
據不完全統計，目前歐洲至少（shǎo）有2000多套紫外線消毒係統被用於城（chéng）市給水消毒，大部分的 處理能力（lì）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係統開始投入建設和使用（yòng）。總的來看，紫外線技術（shù）在歐洲國家主要應用於城市給（gěi） 水、桶/瓶裝水以及商業和景觀用水等的消毒處理中，隻（zhī）有個別應用於汙（wū）水消（xiāo）毒處理（lǐ）。
其他國家或地區
隨歐洲（zhōu）和美國之後，加拿大、澳大 利亞（yà）、新西蘭、新加（jiā）坡、日本以及台灣等國家和地區也紛紛（fēn）展開了（le）對紫外線（xiàn）消毒技術（shù）的研（yán）究和應用。目（mù）前（qián），加拿大安大略省（Ontario）及魁北克省 （Quebec）正在製定新（xīn）的城市給水處理標準。這些新的標準參考了美國LT2ESWTR及德國DVGW Standard W 294的相關內容，對紫外線消（xiāo）毒係統的設計安（ān）裝、運行測試、管理維護等方麵都作了詳細規（guī）定[26]。2000年新西蘭頒布（bù）了其最新版的生活應用水標準 （New Zealand Drinking Water Standards），加強了對水中Cryptosporidium和Giardia的去除率的要求，使得紫（zǐ）外消毒技術得到（dào）了進一步的重視。在新西蘭（lán），大 部分（約90%）的紫外線給水消毒設施用於服務人口為1000~1500人左右（yòu）的城鎮小型給（gěi）水處理廠[27]。2004年澳大利亞頒（bān）布的（de）最（zuì）新（xīn）國家飲用水指 導方針（Australian Drinking Water Guidelines）中也對紫外線給水消毒技術與其他同類（lèi）處理技術（氯、氯胺、二氧化氯、臭氧消毒等）進行了（le）分析對比（如（rú）表5所示），認為紫（zǐ）外線是（shì）比較 適合中小（xiǎo）規模（mó）城市（shì）給水處理的一種消毒技術[28]。

4．目前存在的問題

紫（zǐ）外線給水消毒技術的（de）最大缺點（diǎn）就是出水中沒（méi）有殘餘（yú）消毒能力。也就是說，紫外線消（xiāo）毒對出水受到的二次汙 染或者出水中的微生物通（tōng）過自我修複機製對被紫外線破環的DNA或RNA進行修複等無能為力。目前在紫外線（xiàn）給水消毒中，常采用的方法是在紫外線消毒流程之後 再加入適量氯胺等消毒劑以保持給水管網中的（de）殘餘消毒量。紫（zǐ）外線消毒對進水水（shuǐ）質要求較高，如果進水水（shuǐ）質差（chà）的話，不僅消毒（dú）效果將受到重大威脅，而且紫外燈係統 的工作周期和壽命也要受到影響，可能會出現消毒不（bú）完全或紫外燈（dēng）（燈罩）結垢、破裂等問題。由於目前給水（shuǐ）消毒中應用的（de）主要是水銀紫（zǐ）外燈，因此如果燈管破裂水 銀外漏，也可能會對給水安全（quán）造成威脅。對消毒反應器（qì）中的輸出紫（zǐ）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（shàng）文中各國的規定可以看到（dào），目前主要 采用生物計（jì）量（liàng）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複雜並且需要較長的時間才能得到結果，不能及時發現存在的問（wèn）題，更不能實現（xiàn）在（zài）線實時監 控。另外，目前還沒有一個係統全麵的（de）關於紫外線給水消毒方麵的設計規範和標準。