1．引言

在城鎮給水處理中，通常采用投加（jiā）化學藥劑（例如Cl2, ClO2, 或者O3等）的消毒方法。近些年來，研究（jiū）人員發現在（zài）這些傳統的化學藥劑消毒過程中，會產生一些有害的消毒副產物（DBPs），如THM，HAA，以及 HBr 等。由於紫外（wài）線（xiàn）消毒不需要往水中投加任（rèn）何化學物質（zhì），並且可以滅活（huó）一些傳統化學藥（yào）劑不能殺死的有害微生物（wù），如隱性孢子菌（jun1）（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。目前在北美和歐洲，紫外線消毒技（jì）術及其應用（yòng）是一個十分活躍（yuè）的研究（jiū）領域，並（bìng）且有越（yuè） 來（lái）越（yuè）多的城鎮給（gěi）水廠采用了紫外線消毒措施。本文擬對紫外線（xiàn）消毒技術（shù）在給水處理中應（yīng）用的發展（zhǎn）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，人們就開始（shǐ）了（le）對紫外線消毒機理和應用的研究。早在1877年，Downs 和 Blunt 第一次報道了關（guān）於太（tài）陽光輻射可以殺滅培養基中細菌（jun1）的特性，這也（yě）揭開了（le）人們（men）對紫外線消毒研究和應用的序幕[5]。但（dàn）是（shì），早期的研（yán）究和應（yīng）用在很大程度上受到（dào）了 紫外線消毒硬（yìng）件設施生產技術的局限，這主（zhǔ）要體現在紫外燈（dēng）、鎮流器、紫外感應器（UV sensor）等生產技術領域。下麵對紫外線消毒技術發展過程中有重要意義的發明、發現和（hé）應（yīng）用作一簡單回（huí）顧。
1901年，汞燈開始被用作（zuò）人造 紫（zǐ）外光源；1903年，Bernard 和 Morgan 發現了（le）對生物最敏（mǐn）感（gǎn）的紫外光主要集中在波長250 nm 左右的區域內，Bang在（zài）1905年也報道了同樣的現象[5]。1904年，Kuch 造出了第一（yī）個石英紫（zǐ）外燈[6]。1906年，石英開始大量被用（yòng）於紫外燈生產（chǎn）和研究領域；1910年，在法國馬賽市（shì）（Marseilles），紫外線消毒係 統第一次（cì）被用於城市給水處理的生產實踐中，日（rì）處理能力為200 m3/d；之後（hòu）（約（yuē）1911年），轎車托運法國裏昂市（Rouen）一（yī）個地下水源水（shuǐ）廠也采用了紫外線消毒（dú）[7]。1916年，美國建設了第（dì）一個紫外線消毒係統，用 於肯塔基州亨德森市（Henderson）12,000居（jū）民的生活用水消毒；然後在隨後的幾年內（1923~1928年），在俄亥俄州伯（bó）利亞市 （Berea）、肯薩斯（sī）州霍爾頓市（Horton）、俄亥俄州（zhōu）匹茲堡市（Perrysburg）等地也陸續采用了紫外線消毒技術[6]。1929 年，Gates 對紫外線消毒的（de）機理做了深入地研究，並第一次確立了細菌的滅活（huó）[①]與（yǔ）核酸對紫外線的吸（xī）收之間的聯係[7]。從1887年到1930年可以劃為紫外線給（gěi）水 消毒發展（zhǎn）的第一個階段，在這個階段，紫外線消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的認識（shí），同時（shí）紫外線消毒技術已經開始被應用於生（shēng）產（chǎn）實 踐。
20世（shì）紀30年代中後期，紫外（wài）線消（xiāo）毒的研（yán）究和應用出現了一次低穀，這主要是由於紫外燈的壽命（mìng）、設備（bèi）的操（cāo）作和（hé）維護以及消（xiāo）毒處（chù）理效（xiào）率和成本等 問（wèn）題（tí）造成的。在此期間，大部分水廠都采用了技術相對成熟、操作簡單、效益較好的（de）氯消毒取代了紫外（wài）線消毒。1938年，美國Westinghouse Electric 公司展出了第一個熒光氣體放電管（guǎn）狀紫（zǐ）外燈（簡稱“熒光燈”），至此紫外燈的壽命和輸出功率得到了（le）逐（zhú）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用和推廣奠定了基礎[8]。
20世紀50年代（dài），由於一些（xiē）化學藥劑消毒副產物的發現以及在紫外 燈及相關設備生（shēng）產技（jì）術的（de）不斷提高，紫外線消毒技術的研究和應用（yòng）又得到了（le）全麵的重視（shì）。特別是在歐洲，紫外線消毒技術再次被廣泛應用於城鎮給水處理之中。 1955年，瑞士和奧地利開始采用紫外線給水消毒技術，到了1985年（nián）這兩個國家分別大約有500和600個（gè）紫外線消毒設施已經（jīng）投入使用[7]。另外，比 利時、挪（nuó）威和荷蘭也分（fèn）別在1957年、1975年和1980年開始在城市給水中投（tóu）入使用紫外線消毒技術（值得一提的是，比利時1957年（nián）建設的紫外線消毒 係統至今仍然在運（yùn）轉（zhuǎn））。到1996年為止，歐洲大約有2,000多個飲用（yòng）水處理設施采用了紫外線消毒係統[7，9]。雖然紫外線給水消毒技術在歐洲已經得 到了較為廣泛的應用，但是（shì）在1989年美國環境保護署（US Environmental Protection Agency，簡稱“USEPA”）頒布的地表水處理條例（lì）（Surface Water Treatment Rule，簡稱（chēng）“SWTR”）中，紫外線消毒技術仍然被認為不能有效滅活水中（zhōng）藍氏（shì）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（méi）有得到重（chóng）視。從1990年，美國水工業協會（AWWA）以及（jí）美國水工業研究基金會（AWWARF）才開 始投入大量資金（jīn）對紫（zǐ）外（wài）線消（xiāo）毒技（jì）術展開全麵係統的研究。這段時期（從20世紀50年代初到90年代中期）可（kě）以看（kàn）作是紫（zǐ）外線給水消毒發展的（de）第二個階段。在該階 段，紫外線給水（shuǐ）消毒（dú）技術又重新被（bèi）重視起來，並且在歐洲開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係統設備生產技術得到了很大的提高（gāo），大 量企業開（kāi）始涉足於紫外線消毒係統（tǒng）的生產、安裝以及（jí）配套服務的商業活（huó）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頒布的地下水消毒條例 （Groundwater Disinfection Rule, 簡（jiǎn）稱“GWDR”）正式提到，對於殺活傳統消毒方法不（bú）能有效控（kòng）製的有害病原微生物，紫外線消毒技（jì）術是******選擇之一[12]。1999年，國際紫外線協會 （International Ultraviolet Association，簡稱“IUVA”）成立，在國際上進一步促進了紫（zǐ）外線在各領域中應用技術的研（yán）究和交流。2002年，USEPA頒布的增強地表水 處理（lǐ）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物條例草案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡稱“Stage 2 D/DBPR”）中（zhōng），紫外線消毒技術被給予了特別的重視，被認為是取代傳統消毒技術的最重要、最有（yǒu）效和最可行的消毒技術之一。另外在20世（shì）紀（jì）90年代末， 歐洲各國也頒布了一（yī）些有關紫外線給水消（xiāo）毒的規定和標準。從1998年開始，對紫外線消毒的重大發現以及IUVA的成立標誌著紫外線給水消毒的應用和研究又 進入了一個新的階段。
從上麵的發展（zhǎn）過程可以看（kàn）出，雖然早在100多年前人（rén）們就開始了對紫外（wài）線消毒技術的研究和應用，但是真正（zhèng）的重視和廣泛的應 用（yòng）的時間卻並（bìng）不長。在1998年以前（qián），世界上紫外線消毒技術在城市給水處理中的應用（yòng）主要（yào）集中在處理能力小於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破性研究成（chéng）果的發表，紫外線消毒技術才開始應用於一些大規模的（de）城市（shì）給水處理之 中。例（lì）如在1998~1999年間，芬蘭赫爾辛基市（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水廠分別進行（háng）了改建，增加 了紫外線（xiàn）消毒係統（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（ān）裝了紫外線消毒設施，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（tǒng）的經濟指標及處（chù）理效果
　　經 過近100多年的（de）發展，紫外線消毒係（xì）統設備（包括紫外燈、鎮流器（qì）、紫外感應器、燈管清洗裝置及反應器控製係統等）的生產技術有了很大的提高。這大大的降低 了紫外線消（xiāo）毒係統的運行費用，提（tí）高了其（qí）運行的穩定性，為紫外線消毒技術的廣泛應用提供了前提條件。根據Malley的研（yán）究，每1m3/d設計處理能力的紫 外線消毒係統建設費用約為10~20美元，每（měi）處（chù）理1立方米進水的日常運行維護費用約為0.002~0.007美元；低壓紫外（wài）燈消毒係統適用於小型給水處理 設施，中壓紫外燈消毒係統對（duì）於處理能力高於8,000 m3/d的給水處理設施更適合[15]。對於不同規模的紫外燈給水（shuǐ）消毒係統，其建設（shè）費用和運行（háng）管理費用的構成（chéng）比例（lì）是不同的。由（yóu）表1可以看出，日處理能力越 大的係統，紫外燈係統設備費在建設（shè）費用中所占的比例越小，而（ér）電費在運行管理費用中的比例卻越大[16]。與（yǔ）其他（tā）類似水處理技（jì）術相比較，紫外線消毒具有投資 較少、操作（zuò）簡單（dān）、占地（dì）麵積小、處理效果較好等優點。
另外，近年（nián）來對紫外線消毒性能的大量（liàng）研究表明紫外線對水中一些頑固（gù）的有害微生（shēng）物，如隱性孢 子菌（Cryptosporidium）、藍氏賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）、軍團菌（Legionella pneumophila）、沙門氏菌（Salmonella spp.）等，具有良好的（de）滅活效果 [2，4，17，18，19]；另外（wài）還可以將水中的一些難分（fèn）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（wù）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定及（jí）應用
紫外線消毒技術（shù）的（de）這些優點徹底（dǐ）改變了以前人們對其的看法，成為備受世界（jiè）各國廣泛關注的一種給水消毒技術。下麵就簡單列舉（jǔ）一些國家或地區目前應用紫外（wài）線（xiàn）給水（shuǐ）消毒技術的情況及有關規定。
美國
如上文所述，為了提高生活用水安（ān）全，減少水中有害微生物及消毒副產物，美國在（zài）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（dú）劑及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（shuǐ）直接影響的地表或地下水源公共給水係統（Public Water Systems）。同時，為了保（bǎo）證紫外線消毒係統的處理效果，USEPA針對Giardia、Cryptosporidium和病毒的（de）去除效率規定了消毒（dú） 係統中應達（dá）到的最小（xiǎo）紫外線通量的要求。
1．對於過濾係統，在滿足IESWTR和LT1ESWTR的基礎上，需（xū）額外達到的去除率；
2．對於非過濾（lǜ）係統，至少需達到的（de）去除率；
3．運行年度均值（Running Annual Averages）；
4．消毒副產物最高允許的濃度（dù）水平（Maximum Contaminant Levels）；
5．個別監測點運行年（nián）均（jun1）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的條件也必須同時滿足。
Stage 2 D/DBPR主要針對那些應用化學藥劑消毒（dú）的或者水中含有（yǒu）殘留消毒劑的地（dì）表或地下水源公有給水係統（community water systems）或（huò）永久性私有給水係統（nontransient noncommunity water systems），分Stage 2A和2B兩個階段實（shí）施。Stage 1隻是規（guī）定了在每個運行年度各（gè）監測點消毒副產物的總平均值最高濃度標準，也（yě）就是說允許個別監測點處的消毒副產物濃度高於（yú）規定值。但是對於Stage 2來說，它不僅要求每個運行年度總的消毒副產物濃度水平不得超過Stage 1所規定的最高值，而（ér）且還限製了各個監測點處的副產物濃度的（de）最高值水平。由於紫外線消毒過程（chéng）中，並不需要向水中加（jiā）入（rù）任何化學藥劑，因此不（bú）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，還沒有發現紫外（wài）線消（xiāo）毒（dú）過程可以產生有害的消（xiāo）毒副產物。因此，Stage 2對消毒副產物及殘留消毒劑濃度（dù）嚴格的要求，使得紫外線消毒技術在美國成為備受關注的一種給（gěi）水處理技術，並且已有多家水處（chù）理廠（>800家）改擴（kuò）建 或新建了（le）紫外線消毒係統。特別是（shì）近（jìn）5年來，紫（zǐ）外（wài）線消毒技（jì）術正逐漸開始應（yīng）用於一些大型（xíng）的給水處（chù）理廠。據2000年美國（guó）環境（jìng）保護署的一項調查報告，美國正在建 設幾個大型（xíng）的紫外線給水消（xiāo）毒係統[24]。另（lìng）外，在美國紫外線消毒技術還被廣泛的應用於汙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用具有較長的曆（lì）史，因此經驗比較豐富。在1996~1997年間，奧地利和德國分別頒布了關於紫外線給水消毒的有關規定（奧地 利：ÖNorm M5873；德國：DVGW Standard W 294）。它們都規（guī）定了紫外線給水消毒係統的一些特點，並給出了關於消毒係統運行測試和檢測的程序和方法（fǎ）。與此（cǐ）同時，在維也納（Vienna）和波恩 （Bonn）分別建立了設計（jì）處理（lǐ）能力為400和3,000m3/h的紫外線給水消毒係統（tǒng）處理效果的測試基地，在（zài）這些試驗基地可（kě）以進行不同操作條件下的生物 劑量試驗（Biodosimetry）[9，25]。根據規定（ÖNorm M5873 和 DVGW Standard W 294），給水廠紫外線消毒係統的測試和鑒定工作須在這些測試基地完成。總（zǒng）的來看（kàn），歐（ōu）洲各國（guó）對紫外線消毒的一些規定比較類似（sì）。下麵以DVGW Standard W 294為例簡單（dān）介紹一下這些（xiē）規定的內容。
DVGW Standard W 294針對紫外（wài）線給水消毒係統主要做了以下（xià）幾方麵內容的規定：
支 持材料：主要包括關於紫外燈（dēng）、燈罩和（hé）紫外感應器的詳細材料以及紫外消毒係統的裝配安裝、操作（zuò）運行、反應器（qì）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（bō）普；如果是采用多波長的紫外燈（dēng），其紫外（wài）光波長必須大（dà）部分集中在240~290 nm的範圍內；對於燈罩，必須得指（zhǐ）出燈罩的材料、尺寸及紫外（wài）透射波普等；而對於紫外感應器，應說明（míng）其適用波長區間、測量範圍、測量誤差（chà）、影響因素、重新校 正的要（yào）求及周期等。
紫外感應器：紫外感應器的尺寸大小（xiǎo）、性能特點、感（gǎn）應器探測孔以及石英窗等都必須（xū）符合規定標（biāo）準。每個紫外線消毒反應（yīng）器必須至少（shǎo） 安裝一個在線紫（zǐ）外感應（yīng）器（qì），能夠實（shí）時監測反應器中（zhōng）紫外燈的輸出功率（lǜ），同時還需要另外一個紫外感應器作為參照來驗證在線感應器的輸出值。如果發現它們輸出值（zhí）之 間（jiān）的（de）誤差超（chāo）出允許範圍，那麽在線紫外感應器可能需要清洗、校正或者（zhě）更換。每隔（gé）15個月，這些紫外感應器需（xū）要重新測試和校正一次。另外，感應（yīng）器與被（bèi）檢測（cè）紫外 燈之間的距離必須滿足以下條件：感應（yīng）器對紫外（wài）燈輸出功率的改（gǎi）變的敏感度與對進水紫外透（tòu）射度（UVT）的敏感度基本一致。
操作控製：要求（qiú）必須連續 不間斷地對進（jìn）水流量、紫外感（gǎn）應器輸出（chū）結（jié）果以及相應的輸出紫外通量進行監測。反應器中（zhōng）的輸出紫外（wài）通量必須要高於為保證給水消毒安全由生（shēng）物劑量（liàng）試驗得出的最低 紫外通量。另外，還應有突發事件（如，燈管破裂或輸出紫外通量低於安全值（zhí）等）的安全保（bǎo）護措施及報警機製等。
消毒效果測（cè）試（生物劑量試 驗）：DVGW Standard W 294 規定紫外線（xiàn）消毒的最小輸出（chū）紫外通量為40 mJ/cm2，由生物劑量試驗法測定反應器的輸（shū）出紫外通（tōng）量，並選（xuǎn）定Bacillus Subtilis 孢子作為實驗過程（chéng）中的目標微生物。最小輸出紫外通量可以通過降低紫外（wài）燈功率（降低約30%）或者增加進水對（duì）紫（zǐ）外線的吸光度（增加約20%）來確定。另（lìng）外， 試驗方法、設備規格以及試（shì）驗條件等都作了具體的規定。
據不完全統計，目前歐洲（zhōu）至少有2000多套紫外線消毒係統（tǒng）被（bèi）用於城市給水消毒，大部分的（de） 處理能力都不（bú）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（kāi）始（shǐ）投入建設和使用。總的來（lái）看（kàn），紫（zǐ）外線技術在歐洲國家主要（yào）應用於城市給 水、桶/瓶裝水以及商（shāng）業（yè）和景觀用水等的消（xiāo）毒處理中，隻（zhī）有個別（bié）應用於汙水消毒處理。
其他國家或地區
隨歐洲和美國之後，加拿大、澳大 利（lì）亞、新西（xī）蘭、新加（jiā）坡（pō）、日（rì）本以及台灣等國家和地區也紛紛展開了（le）對（duì）紫外線（xiàn）消毒技術的研究和應用。目前（qián），加拿大安大（dà）略省（Ontario）及魁北克省 （Quebec）正在製定新的城（chéng）市給水處理（lǐ）標準。這些新的標準參考了美國LT2ESWTR及（jí）德國DVGW Standard W 294的相關內容，對紫外線消毒係統的（de）設計安（ān）裝、運行測試、管理維（wéi）護等方麵都作了（le）詳（xiáng）細規定[26]。2000年新西蘭頒布了（le）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（lǜ）的（de）要求，使得紫外（wài）消毒技術得到了進一步的重視（shì）。在新西蘭，大 部分（約90%）的紫外線給水消毒（dú）設施用於服務人口為1000~1500人（rén）左右的城鎮小（xiǎo）型給水處理廠[27]。2004年澳大利亞頒布的最新國家（jiā）飲（yǐn）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處理技術（氯（lǜ）、氯胺、二（èr）氧化氯、臭氧消毒（dú）等）進行了分析對比（如表5所示），認為紫外線是比較 適合中小規模城市（shì）給水處理的一種消（xiāo）毒（dú）技術[28]。

4．目前存在的問題（tí）

紫（zǐ）外線（xiàn）給水消毒技術的（de）******缺點就是出水中（zhōng）沒有殘（cán）餘消毒能力。也就是說，紫（zǐ）外線消毒對出水受到的二次汙 染或（huò）者出水中的（de）微生物通過自我修複機製對被紫外線破環的DNA或RNA進行修複等無（wú）能為力。目前在紫外（wài）線給水消毒（dú）中，常采用的方法是在（zài）紫外線（xiàn）消毒流程（chéng）之（zhī）後 再加入適量（liàng）氯胺等（děng）消毒劑（jì）以保持給水管網中的殘餘消（xiāo）毒（dú）量（liàng）。紫外線消毒對進水（shuǐ）水質要求較高，如果進水水質差的話，不僅消毒效果將受到重大（dà）威脅，而且紫外燈係統 的工作周期和壽命也要受到影響，可能會出現消毒不完全或紫外燈（燈罩（zhào））結垢、破裂等（děng）問題。由於目前給水消毒中應用的主（zhǔ）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（duì）給水安全造成威脅。對消毒反應器中的（de）輸出紫外（wài）通量的檢測也是一個影響紫外線給水消毒的（de）重要（yào）問題。從上文（wén）中各（gè）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器中的（de）輸出紫外通量，然（rán）而這樣的實驗操作複雜並且需要（yào）較長的時間才能得到結果，不能及時（shí）發現存在（zài）的問題，更不能實現在線實時監 控（kòng）。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。