1．引言

在（zài）城（chéng）鎮給水處理中，通常采用投加化學藥（yào）劑（例如Cl2, ClO2, 或者O3等）的消毒方法。近些年來（lái），研究人員發現在這（zhè）些（xiē）傳（chuán）統的化（huà）學藥劑消毒過程中，會產生一些有害的消毒副產物（wù）（DBPs），如THM，HAA，以及 HBr 等。由於紫外線消（xiāo）毒不需要往水中投（tóu）加任何化學物質，並且可以（yǐ）滅（miè）活一些傳統化學藥劑不能殺死的有害微生物（wù），如隱性孢子菌（cryptosporidium ）和藍氏賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）等（děng）[1，2，3，4]，因此紫外線消毒受到了特別的重視。目（mù）前在北美和歐洲，紫外線消毒技術及其（qí）應用是一（yī）個十分活躍（yuè）的研究領域，並且有越 來越多的城鎮給水廠采用了紫外線（xiàn）消毒措施。本文擬（nǐ）對紫外線消毒技（jì）術在給水處理中應用的（de）發（fā）展曆史及應（yīng）用現（xiàn）狀作一（yī）簡單介紹。

2．紫外線消毒的發展曆史

大約在1個多世紀以前（qián），人們就開始了（le）對紫外（wài）線消（xiāo）毒機理和應用（yòng）的研究。早在1877年（nián），Downs 和 Blunt 第一次報道了關於太陽光輻射可以殺滅培養基中細菌的特性，這（zhè）也揭開了人們對紫外線（xiàn）消（xiāo）毒研究和應用的序幕[5]。但是，早期的研究和應用（yòng）在很大程度上受到了 紫外線消毒硬件設施生產技術的局限，這主要體（tǐ）現在紫外燈、鎮流器、紫（zǐ）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、發現和應用（yòng）作一簡單回顧。
1901年，汞燈開始被用作人造（zào） 紫外光（guāng）源；1903年，Bernard 和 Morgan 發現了對生物最敏（mǐn）感的紫外光主要集中在波（bō）長250 nm 左右的區域內，Bang在1905年也報道（dào）了同樣的現象[5]。1904年（nián），Kuch 造出了第一個石英紫（zǐ）外燈[6]。1906年，石英開始大量被用於紫外燈生產和（hé）研究領域；1910年，在法國馬賽市（Marseilles），紫外線消毒係 統第一次被用於城市給水處理的生產實踐中，日處理能力（lì）為200 m3/d；之後（約1911年），轎車托運法國裏昂市（Rouen）一個地下水源（yuán）水廠也采用了紫外線消毒[7]。1916年（nián），美國（guó）建設了第一個紫（zǐ）外線消毒係統，用 於肯塔基州亨（hēng）德森市（Henderson）12,000居（jū）民的（de）生活用水消毒；然後在隨後的幾年（nián）內（1923~1928年），在俄（é）亥俄州伯利亞市（shì） （Berea）、肯薩斯州霍爾頓市（Horton）、俄亥俄州匹（pǐ）茲堡市（shì）（Perrysburg）等地也陸續（xù）采用了紫外線消毒技術[6]。1929 年，Gates 對紫外線消毒的機理（lǐ）做了深入地研究，並第一次確立了細菌的滅活[①]與核酸對紫外線的吸收之（zhī）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，紫外線消毒係統的生產技（jì）術有（yǒu）了初步的發展，人們對消毒機理有了基本的認識，同時紫外線消毒技術已經（jīng）開始被應用（yòng）於生產實（shí） 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（cì）低穀，這主（zhǔ）要是由於紫外燈的壽命（mìng）、設備的操作和（hé）維護（hù）以及消毒處理效率和成本等（děng） 問題造成的。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狀紫外燈（簡稱“熒光（guāng）燈”），至此紫外燈的壽（shòu）命和輸出功率得到了逐步（bù）的（de）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（de）提高，這為以後紫（zǐ）外線消毒（dú）技術的使用（yòng）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（xiāo）毒副產物的發現以及在紫外 燈及相關（guān）設備生產技術的不斷提高，紫外線消毒（dú）技術的研究和應用又得到了全麵的重視。特別（bié）是在歐洲，紫外線消毒（dú）技術再次被（bèi）廣泛應用於城鎮給水處理之中。 1955年，瑞士（shì）和奧地利（lì）開始采用紫外線給水（shuǐ）消毒（dú）技術，到了1985年這兩個（gè）國家分別大約有500和600個紫外線消（xiāo）毒設施已經投入（rù）使用[7]。另外，比 利（lì）時、挪威和荷蘭（lán）也分別（bié）在（zài）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（值（zhí）得一提的是，比利時1957年建設的紫外線消（xiāo）毒 係統至今仍然在運轉）。到1996年為（wéi）止，歐洲大約有2,000多個飲用水處理設施采用了紫外（wài）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（guǎng）泛的應用，但是在1989年美國環境保（bǎo）護署（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，紫外線消毒技術仍然被認為不能有（yǒu）效滅活（huó）水中藍氏賈第鞭毛蟲（Giardia lamblia）、隱性孢子菌（Cryptosporidium parvum）等水中有害病原菌，因此在美國（guó）仍然沒有得（dé）到重視。從1990年（nián），美國水工業（yè）協會（huì）（AWWA）以及美國水工業研究基金會（AWWARF）才開 始投入大量資金對紫外（wài）線消毒技術展開全麵係（xì）統的研究。這段時期（從（cóng）20世紀50年代初到90年代中期）可以看作是紫外線（xiàn）給水消毒發展的第二（èr）個階段。在該階 段，紫外線給水（shuǐ）消毒技術又重新被重視起來，並且在歐洲開始被廣泛應（yīng）用於城市給水消毒中。另（lìng）外，在該時期紫（zǐ）外燈及相關係統設備生產技術得到（dào）了很大的提高（gāo），大 量企業開（kāi）始涉足於紫外線消毒係統的生產、安裝以及配套服務的商業活動中。
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]。同時在2000年USEPA頒布的地下（xià）水消毒條（tiáo）例 （Groundwater Disinfection Rule, 簡稱“GWDR”）正式提到，對於殺活傳（chuán）統消毒方法不能有效（xiào）控製的有害病原微生物，紫外（wài）線消毒技術是******選擇之一（yī）[12]。1999年，國際紫外線（xiàn）協會 （International Ultraviolet Association，簡稱“IUVA”）成立，在（zài）國際上進一（yī）步促進了紫外線在各（gè）領域中應用技術的研究和交流。2002年，USEPA頒（bān）布的增強地（dì）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物條例草案（àn）（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡稱“Stage 2 D/DBPR”）中，紫外（wài）線消毒技（jì）術被給予了特別的重視，被認為是取代傳統消毒技（jì）術的最重要、最有效（xiào）和（hé）最可行的消毒技術之（zhī）一。另外在20世紀90年代末（mò）， 歐（ōu）洲各國也頒布了一些有關紫外線給（gěi）水消毒的規（guī）定和標準。從（cóng）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（gěi）水消毒的應用和研究又 進入了（le）一個新的階段。
從上麵的發展過程可以看出，雖然早在100多年前人們就開始了對紫（zǐ）外線消毒技術的研究和應用，但是真正的重視和廣泛的（de）應 用的時間卻並不長（zhǎng）。在1998年以前，世界上紫外線消毒技術在城市給水處理中的應用主要集中（zhōng）在處理能力（lì）小於200 m3/h的中小型水廠。1998年以（yǐ）後，由於在紫外線消（xiāo）毒技（jì）術領域的一些突破性研究（jiū）成果的發表，紫外線消毒技術才開始應用於一些大規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（gěi）水廠（chǎng）分別進行（háng）了改建，增加 了紫外線消毒係統，總（zǒng）處理能力約為12,000 m3/h[13]；加拿（ná）大埃（āi）德蒙（méng）頓市（Edmonton）EL Smith 給水廠在2002年左右也安裝了紫外線（xiàn）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（yòng）現狀

3.1 紫外線消毒係統的經（jīng）濟（jì）指標及處（chù）理效果（guǒ）
　　經（jīng） 過近100多年的（de）發展，紫外線消毒係統設備（包括紫外燈、鎮流器、紫外感應器、燈管清洗（xǐ）裝置（zhì）及反應器控製係統等）的生產技術有（yǒu）了很大的提高。這大（dà）大的降低 了紫外（wài）線消毒係統的運（yùn）行費（fèi）用，提高了其運行的穩定（dìng）性，為紫外線消毒技（jì）術的廣泛應用提供了前提條件（jiàn）。根據Malley的研究，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，每處理1立方米進水的日常運（yùn）行維護費用約為0.002~0.007美元；低壓紫外燈消（xiāo）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（lì）高於8,000 m3/d的給水處理（lǐ）設施更適合[15]。對於不（bú）同規模的紫外燈給水消毒係統（tǒng），其建設（shè）費用和運行管理（lǐ）費用的構成比例是不同的。由表1可以看出，日處理能力越 大的係統，紫外燈係統設備費在建設費用中所占的比（bǐ）例越小，而電費在運行管理費用中的比例卻越大[16]。與其（qí）他類似水處理技術相（xiàng）比較，紫外線消毒具有投資 較少、操作簡單、占地麵積小、處理（lǐ）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（zhōng）一些頑固的有害（hài）微生物，如隱性（xìng）孢 子菌（Cryptosporidium）、藍氏賈（jiǎ）地鞭毛蟲（Giardia lamblia）、軍團菌（Legionella pneumophila）、沙門氏菌（Salmonella spp.）等，具有良好的滅（miè）活效果 [2，4，17，18，19]；另外還可以將（jiāng）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（èr） 氧化碳等[20，21，22，23]。

3.2 各國對紫外線給水（shuǐ）消毒處（chù）理的規定及應用
紫外線消毒（dú）技術的這（zhè）些優（yōu）點徹底改（gǎi）變了以前人們對其（qí）的（de）看法，成（chéng）為備受世（shì）界各國廣泛關注的一種給水消毒技術。下麵就簡單列舉一些國家或地區目前應用紫外線（xiàn）給水消毒技（jì）術的情況（kuàng）及有關規定。
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（dú）副產物，美國在2002年頒布了增（zēng）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物條例（lì）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（yǐng）響的地表或地下水源公共給水係統（tǒng）（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和病毒的去（qù）除效（xiào）率規定了消毒 係統中應達到的最小紫外（wài）線通量的要求。
1．對於過濾係統，在滿足IESWTR和LT1ESWTR的基礎上，需額外（wài）達到的去除率；
2．對於非過濾係統，至少需（xū）達到的（de）去（qù）除（chú）率；
3．運行（háng）年（nián）度均值（Running Annual Averages）；
4．消毒副（fù）產物最高允（yǔn）許的濃（nóng）度水（shuǐ）平（píng）（Maximum Contaminant Levels）；
5．個別監測點運行年均值（locationsal Running Annual Averages）；
6．Stage 2分Stage 2A和2B兩（liǎng）個階段實施（shī）；Stage 2實施時，Stage 1的條件也必須同時滿足。
Stage 2 D/DBPR主要針（zhēn）對那些應用化學藥劑消毒的或者水中含有殘留消（xiāo）毒劑的地表或地（dì）下水源公有給水係統（community water systems）或永久性（xìng）私有給水係統（nontransient noncommunity water systems），分Stage 2A和（hé）2B兩個階段實（shí）施。Stage 1隻是規（guī）定了在每個運行年度各監測點消毒副產物的總平均值最（zuì）高濃度標準（zhǔn），也就是說允許個別（bié）監測點處的消毒副產物濃度高於規定值。但是對於Stage 2來（lái）說，它不僅要求每個運行（háng）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，而且還限製了各個監測點處的副產物濃（nóng）度的最高值水平。由於紫外（wài）線消毒過程中，並不需要向（xiàng）水中加入任（rèn）何化學藥劑，因此不存（cún）在出水（shuǐ）中含有殘 留消（xiāo）毒劑的問題。另（lìng）外（wài），在目前的大量研（yán）究中，還（hái）沒有發現紫外線消毒過程可以產生（shēng）有害的消毒副產物。因此，Stage 2對消毒副產物及殘留消毒劑濃度嚴格的要求，使得紫外（wài）線消毒技術在美國成為備受關（guān）注的一種給水處理（lǐ）技術，並且已有多家水（shuǐ）處理廠（>800家）改擴建（jiàn） 或新建了紫外線消毒係統。特別是近5年（nián）來，紫（zǐ）外線消（xiāo）毒技術正逐漸開始（shǐ）應用於一些大型的給水處理廠。據2000年美國環境（jìng）保護（hù）署（shǔ）的一項調查報（bào）告，美國正在建 設幾個大型的紫外線給水（shuǐ）消毒（dú）係統[24]。另外，在（zài）美國紫外（wài）線消毒技術還被廣（guǎng）泛（fàn）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（jù）有較長的曆史（shǐ），因此經驗比較豐（fēng）富。在1996~1997年間，奧（ào）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（ào）地 利：ÖNorm M5873；德國：DVGW Standard W 294）。它們都規定了紫（zǐ）外（wài）線給水消（xiāo）毒係（xì）統的（de）一些特點，並給出了關於消毒係統運行測試和（hé）檢測的程序和方（fāng）法。與此同時，在維也納（Vienna）和波恩 （Bonn）分別建立（lì）了設計處理能力（lì）為400和3,000m3/h的紫（zǐ）外線給水消毒係統處理效果（guǒ）的測試基地，在這些（xiē）試驗基地可以進行不同操作條件下的（de）生物 劑量試驗（Biodosimetry）[9，25]。根據規定（ÖNorm M5873 和 DVGW Standard W 294），給水廠紫（zǐ）外線消毒係統的測試和鑒（jiàn）定工作（zuò）須在這些測（cè）試基地完成（chéng）。總的來看（kàn），歐洲各國對紫（zǐ）外線消毒的一些（xiē）規定比較類似（sì）。下（xià）麵以DVGW Standard W 294為例（lì）簡單介紹一下這（zhè）些規定的內容（róng）。
DVGW Standard W 294針對紫外線（xiàn）給水消毒係統（tǒng）主要做了以下幾方麵內容的（de）規定：
支 持材料：主要包括關於紫外燈、燈罩和紫外感應器的詳（xiáng）細材料以及（jí）紫外消毒係統的裝（zhuāng）配安裝、操作運行、反應器清洗的程序和（hé）方法等。例如，材料中必須說明紫外燈 的（de）類型、操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（wài）光波（bō）長必須大部（bù）分集（jí）中在240~290 nm的範圍內；對於燈（dēng）罩，必（bì）須得指（zhǐ）出燈罩的材料、尺寸及紫外透射（shè）波普等；而對於紫外（wài）感應器，應說明其（qí）適（shì）用波長區間、測量範圍、測量誤差、影響因素、重新校 正的要（yào）求及周期等。
紫（zǐ）外感應器：紫外感應器的尺寸大小、性能特點、感應器探測孔以及石英窗等都（dōu）必須符合規定標準。每（měi）個紫外線消毒反應（yīng）器必須至少（shǎo） 安裝一個在線紫外感應器，能夠實時監測反應器（qì）中紫外燈的輸出功率，同時還需要另外一個紫（zǐ）外感應器作（zuò）為參照來驗證在線感應（yīng）器的輸出值。如果發現它們輸出值之 間的誤差超出允許範圍，那麽在線紫外感應器可能需要清洗、校正或者更換。每隔15個月（yuè），這些紫（zǐ）外感應器需要重新測試和（hé）校正一次。另（lìng）外，感應器與被檢測紫外 燈之間的距離（lí）必須滿足以下條件：感（gǎn）應器對紫（zǐ）外燈輸（shū）出功率的改變的敏感度與對進水紫外透射度（UVT）的敏感度基本一致。
操作控製：要（yào）求必須連續 不間斷地對進水流量、紫外感應器輸出結果以及（jí）相應的輸出紫外通（tōng）量進（jìn）行監測。反（fǎn）應器中的輸出紫（zǐ）外通量必須（xū）要高於為保證給水消毒安全（quán）由生物劑量試驗得（dé）出的最低（dī） 紫外通量。另外，還應有突（tū）發事件（如，燈管破裂或輸出紫外通量低於安全值等）的安全保（bǎo）護措施及報警機製等。
消毒效果測試（生物劑量試 驗）：DVGW Standard W 294 規定紫外線消毒的最小輸出紫外通量為40 mJ/cm2，由生（shēng）物劑量試驗法測（cè）定反應器（qì）的輸出紫外通量，並選定Bacillus Subtilis 孢（bāo）子作為（wéi）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（jiàng）低紫外燈功率（降低約30%）或者（zhě）增加進（jìn）水對紫外線的吸光度（增（zēng）加約20%）來確（què）定。另外， 試驗方法、設備規格（gé）以及試驗條件等都作了具體的規定。
據不完全統計，目前歐（ōu）洲至少有2000多套（tào）紫外（wài）線消毒係統被用（yòng）於城市給水消毒（dú），大部分的 處理能力都不超過1000m3/h，但（dàn）是近年（nián）來也（yě）有一些大型的紫外線給水消毒係統開始投入建設和使用。總的來看，紫外（wài）線技術在歐（ōu）洲國（guó）家主要應用於城市給 水、桶/瓶裝水以及商業和景觀用水（shuǐ）等的消毒處理（lǐ）中（zhōng），隻有個別應用於汙水消（xiāo）毒處理（lǐ）。
其他（tā）國家或地區
隨歐洲和美國之後，加拿大、澳大 利亞、新西蘭、新加（jiā）坡、日本以及台灣等國家和（hé）地區也紛紛展開了對紫外（wài）線消毒技術的（de）研究和應用。目前，加拿大安大略（luè）省（Ontario）及魁北克省 （Quebec）正在製定新的城市給水處理標準。這些新的標準參（cān）考了美國LT2ESWTR及德（dé）國DVGW Standard W 294的相關內容，對紫外線消毒係統的設計安裝、運（yùn）行測試（shì）、管理維護等（děng）方麵都作了詳細規定[26]。2000年新西蘭頒布了其最新版的生活應用水標準 （New Zealand Drinking Water Standards），加強了（le）對水中Cryptosporidium和Giardia的去除率的（de）要求，使得（dé）紫外消毒技術得到了進一步的重視。在新西蘭，大 部分（約90%）的紫外線給水消毒設施用於服務人口為1000~1500人左右的城鎮小型給水處理廠[27]。2004年（nián）澳大利亞（yà）頒布的最新國家飲用水（shuǐ）指 導方針（Australian Drinking Water Guidelines）中也對紫外（wài）線給水消毒技術與其他同類處（chù）理技術（shù）（氯、氯胺、二氧化氯、臭氧消毒等）進行了分析對比（如表5所示），認為紫外線是比較 適合（hé）中小規模城市給水處理的一種消毒（dú）技術[28]。

4．目前存在（zài）的問題

紫外（wài）線給水消毒技術的******缺點就是出水中沒有殘餘消毒（dú）能力。也就（jiù）是說，紫外線消毒對出水（shuǐ）受到的（de）二次汙 染或者出（chū）水中的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後 再加入適量氯胺等消毒劑以（yǐ）保持（chí）給水管網中（zhōng）的殘餘消毒量。紫外線消毒對進水水（shuǐ）質要求較高，如（rú）果進（jìn）水水質差的話，不（bú）僅消毒效果將（jiāng）受到重大威脅，而且紫外燈係統 的工作周期和壽命（mìng）也要受到影響，可能會出現消毒不完（wán）全或紫外燈（燈罩（zhào））結垢、破裂等問題。由於目前給（gěi）水消毒中應用的主要是水銀紫（zǐ）外燈，因此如果燈管破裂水 銀外漏，也可能會對給水安全造成（chéng）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（dú）的重要問題。從上文（wén）中各國的規定（dìng）可以看到，目前主要（yào） 采用生物計量法來檢測反應器中的輸出紫外通量，然而這樣的實（shí）驗操作複雜並（bìng）且需要較長的時間才能得到結果，不能及時發現存在的問題，更不（bú）能實現（xiàn）在線實時監 控。另外，目前還沒有一個係（xì）統全麵的關於紫外線給水消毒方麵的設計規範和標準。