1．引言

在城（chéng）鎮給水（shuǐ）處理中，通常（cháng）采（cǎi）用投加化（huà）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（yuán）發現在這些（xiē）傳統的化學藥劑消毒過程中，會產生一些有（yǒu）害的消毒副產物（DBPs），如THM，HAA，以及 HBr 等。由於紫（zǐ）外線消毒（dú）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（de）有害微生物，如隱性孢子菌（cryptosporidium ）和藍氏賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）等[1，2，3，4]，因（yīn）此（cǐ）紫外線消毒受到（dào）了特別的重視。目前在北美和歐洲，紫外線消毒技術及其應用是一個十分活躍的研究（jiū）領域，並且有越（yuè） 來越多的城鎮給水廠采（cǎi）用了紫外線消毒措施。本文擬對紫（zǐ）外線（xiàn）消毒技術在給水（shuǐ）處理（lǐ）中應用的發展曆史及（jí）應用現狀（zhuàng）作（zuò）一（yī）簡單介紹（shào）。

2．紫外線消毒的發展曆史

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 第一次報道了關於太陽（yáng）光輻射可以殺滅培養基中（zhōng）細菌的特性，這也揭開了人們對紫外線消毒研究和應用的序幕[5]。但是，早期的研究和應（yīng）用在很大程度上受到了 紫外線消毒硬件設施生產技術（shù）的局限，這主要體現（xiàn）在紫外燈、鎮（zhèn）流器、紫外感應器（UV sensor）等生（shēng）產技術領域。下麵對紫外線消（xiāo）毒技術發展（zhǎn）過（guò）程中有重（chóng）要意義的發明、發現和應用作一簡單回顧。
1901年，汞燈（dēng）開始被用作人造 紫外光源；1903年，Bernard 和（hé） Morgan 發現了對生物（wù）最敏感的（de）紫外光主要（yào）集中在波長（zhǎng）250 nm 左右的區（qū）域內，Bang在（zài）1905年也報道了同樣的現象[5]。1904年，Kuch 造出了第一個石英紫外燈[6]。1906年，石英開始大量被用（yòng）於（yú）紫外燈生產（chǎn）和研究領域（yù）；1910年，在法國馬賽市（shì）（Marseilles），紫外線消毒係 統第一次被用於城市給（gěi）水處理的生產實（shí）踐中，日處理能力為200 m3/d；之後（約1911年），轎車托運法國裏昂市（Rouen）一（yī）個地下水源水廠也采（cǎi）用了紫外線消（xiāo）毒[7]。1916年，美國建設了第一個紫外線消毒係統，用 於肯塔（tǎ）基州亨德森市（Henderson）12,000居民的生活用水消毒；然後（hòu）在隨後的（de）幾年內（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（děng）地也陸續采用了紫外（wài）線消毒技術[6]。1929 年，Gates 對紫外線消毒的機理做了深入地（dì）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間的聯係[7]。從（cóng）1887年到1930年可以劃為（wéi）紫外線給（gěi）水 消毒（dú）發展的第一個階段，在（zài）這個階段，紫外線消毒係統的生產技術有（yǒu）了初步的發展，人（rén）們對消毒機（jī）理有了基本的認識，同時紫外線消毒技術已經開始被應用於生產（chǎn）實 踐。
20世紀30年代中後期，紫外線（xiàn）消毒（dú）的研究和（hé）應用出現了一次低穀，這主要是（shì）由於紫外燈的壽命、設備的操作和維護以及消毒處（chù）理效率和成本等 問題造成的。在此（cǐ）期間，大部分水廠都采（cǎi）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（zhuàng）紫外（wài）燈（簡稱“熒光燈”），至此紫外燈的壽命和輸出功率得到了（le）逐步（bù）的提高。20世（shì）紀40年代，紫（zǐ）外燈及鎮流器的（de）生產技術 得到了進一步的提高，這為以後紫外線消毒技術（shù）的使用和推廣奠定了基礎[8]。
20世紀50年代，由於一些化學藥劑消毒副產物的發現以及在紫外 燈及（jí）相關設備（bèi）生（shēng）產技術的不斷提高，紫外線消毒技術的研究（jiū）和（hé）應用又得到了（le）全麵的重視。特別是在歐洲（zhōu），紫外線（xiàn）消毒技術再次被廣泛應用於城鎮給水處理之（zhī）中。 1955年，瑞士（shì）和奧地利開始采用紫外線給水消毒技術，到了1985年這兩（liǎng）個國（guó）家分（fèn）別大約有500和600個紫外線（xiàn）消毒設施已經投入使用[7]。另外，比 利時、挪威和荷蘭也分別在1957年、1975年和1980年開（kāi）始在城市給水中投入使（shǐ）用紫外線消毒技（jì）術（值得一提的是，比利（lì）時1957年建設的紫外（wài）線消毒 係統至（zhì）今仍然在運轉）。到（dào）1996年為止，歐洲（zhōu）大約有2,000多個飲用水處理設施采用了紫外線消毒係統[7，9]。雖然紫（zǐ）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（shuǐ）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（yīn）此在美國仍然沒有得到重視。從1990年，美國水工業協會（AWWA）以及美（měi）國水工（gōng）業研究基金會（AWWARF）才開 始投入大量資金對紫外線消毒技術展開（kāi）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）可以看作是紫外線給水消毒發展的第二個階段。在（zài）該階 段，紫外線給水消毒技術又重（chóng）新被重視起來，並且在歐洲（zhōu）開始被（bèi）廣泛應用於城市給水（shuǐ）消毒中（zhōng）。另外，在該時期紫外燈及相（xiàng）關係統設備生產（chǎn）技術得到了很大的提高（gāo），大 量企業開始涉足於紫外線消毒係統的生產、安裝以及配套服務的商業活動中。
1998~2000年期間，大量的研究（jiū）發現紫外線消毒技術（shù）對（duì） Cryptosporidium和Giardia有很好的滅活效果[1，2，10，11]。同時在2000年USEPA頒布的地（dì）下水消毒條例（lì） （Groundwater Disinfection Rule, 簡稱“GWDR”）正式提到，對於殺活傳（chuán）統消毒方法（fǎ）不能有效控製的有害病原微（wēi）生物，紫外線消毒技術是******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外（wài）線在各領域（yù）中應用技（jì）術的研究和交流。2002年，USEPA頒布（bù）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，被認為是取代傳統消毒（dú）技術的最重要、最（zuì）有效和最可行的消（xiāo）毒技術之一。另外在20世紀（jì）90年代末（mò）， 歐洲各國（guó）也頒布了一些有關紫外線給水消（xiāo）毒的規定和標準。從1998年開始（shǐ），對（duì）紫外線消（xiāo）毒的重大發現以及IUVA的成立標誌著（zhe）紫外線給水消毒的應用和研究又 進（jìn）入了一個（gè）新的階段（duàn）。
從上麵的（de）發展過程可以看出，雖（suī）然早在100多年前人們就開始了對紫外線消毒技術的研究和應用，但是真正的重視和廣泛的應（yīng） 用的時（shí）間卻並不長。在（zài）1998年以前，世界上紫外（wài）線消毒技術在城市給（gěi）水處理中的應（yīng）用主要集中在處（chù）理能力小於200 m3/h的中小型水（shuǐ）廠。1998年以後，由於在紫外線消毒技術（shù）領域的一些突破性研究成果的發表，紫外線（xiàn）消毒技術才開始應用於一些大規（guī）模的（de）城市給水處理之 中。例如在1998~1999年間，芬（fēn）蘭赫爾辛（xīn）基市（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水廠分別進行了改建，增加 了紫外（wài）線消毒係統，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（le）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 紫外線消毒係統的經濟指標（biāo）及處理效果
　　經 過近（jìn）100多年的發展，紫外線消毒（dú）係統設備（包括紫外燈、鎮流器、紫外感（gǎn）應器、燈（dēng）管清（qīng）洗裝（zhuāng）置及（jí）反應器控製（zhì）係統等）的生產技術有了很大的提高。這大大的降低 了紫外線消毒係統的運行費（fèi）用，提高了其運（yùn）行的穩定性，為紫外（wài）線消毒技術（shù）的廣泛應用提供了前提條件。根據（jù）Malley的研究（jiū），每1m3/d設計處（chù）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行維護費用約為0.002~0.007美元；低壓紫外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於處理能力高於8,000 m3/d的給（gěi）水處（chù）理設施更適合[15]。對（duì）於不同規模的紫外燈給（gěi）水消毒係統，其建設費用和運行管理費用的構成比例是不同（tóng）的。由表1可以看出，日處（chù）理能力越 大的（de）係統，紫外（wài）燈係統設備費在建設費用中所占的比例越小，而（ér）電費在運（yùn）行管理費用中的比（bǐ）例卻越大[16]。與其他類似水處理技術相比較，紫外線消毒具有投資 較少、操作簡單、占（zhàn）地麵積小、處理效（xiào）果較好等優點。
另（lìng）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（hài）微生物，如隱性孢 子（zǐ）菌（Cryptosporidium）、藍氏賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）、軍團菌（Legionella pneumophila）、沙門氏菌（Salmonella spp.）等，具（jù）有良好的滅（miè）活效果 [2，4，17，18，19]；另外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水、二 氧化碳等[20，21，22，23]。

3.2 各國對紫（zǐ）外線給水消毒處理的規定及應用
紫外線消（xiāo）毒技術的（de）這些（xiē）優點徹底改變了以前人們對（duì）其（qí）的看（kàn）法，成為備受世界各國廣（guǎng）泛（fàn）關注的一種給水消（xiāo）毒（dú）技術。下麵就簡（jiǎn）單列舉一些國家（jiā）或地區目前（qián）應用紫外線給水（shuǐ）消毒技術的情況及有關規定。
美國
如上文所（suǒ）述，為了提高生活用水安全，減少水（shuǐ）中有（yǒu）害微生（shēng）物及消毒副產物，美（měi）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（dì）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（lǐ）效果，USEPA針對Giardia、Cryptosporidium和病毒（dú）的去除效率規定了消毒 係統中（zhōng）應達到的最小紫外線通量的要（yào）求。
1．對於過濾係統，在滿足IESWTR和LT1ESWTR的基礎上，需額外（wài）達到（dào）的去除率；
2．對於非過濾係統，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水平（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兩個階（jiē）段實施；Stage 2實施時，Stage 1的條件也必須同（tóng）時滿足。
Stage 2 D/DBPR主要針對那些應（yīng）用化學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（yùn）行年度各監（jiān）測點消毒副產物的總平均值最高濃度標（biāo）準，也就是說允許個別監測點處的消毒副產物濃度高於規定值。但是對於Stage 2來說，它不僅要求每個運行年度總的（de）消毒副產物濃度水平不得超過（guò）Stage 1所規定的最高值（zhí），而且還限製了各個監測點處的（de）副產物濃度的最高值（zhí）水平。由於紫外線（xiàn）消毒過程（chéng）中，並不需要向水中加入任何化學藥劑，因（yīn）此不（bú）存在出水（shuǐ）中含（hán）有（yǒu）殘 留消毒劑的問題（tí）。另外，在目前的大量研究中，還沒有發現紫（zǐ）外線消毒過（guò）程（chéng）可以產生有害的（de）消毒（dú）副產物。因此，Stage 2對消毒副產物（wù）及殘留消毒劑濃度嚴格的要求，使得紫外線（xiàn）消毒（dú）技術在美國成為備受關注的一種給水處理技術，並且已有多家水處理廠（>800家）改擴建 或新建了紫外線消毒係（xì）統。特別是近5年（nián）來，紫外線消毒技術正逐漸開始應用於一些大型的給水處（chù）理廠。據2000年美國（guó）環境保護（hù）署的一項調查報告，美國正在（zài）建 設幾個大型的（de）紫外（wài）線給水消毒係統[24]。另外，在（zài）美國紫外線消毒（dú）技術還被廣（guǎng）泛的應用於汙水廠二級處理出水的消毒。
歐洲
在歐洲， 紫外（wài）線在給（gěi）水消毒中的應用具有較長的曆史（shǐ），因此（cǐ）經驗比較豐富（fù）。在1996~1997年間，奧地利和德（dé）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（dé）國：DVGW Standard W 294）。它們（men）都規定了紫外線給水消毒係統的一（yī）些特（tè）點，並給出了關於消毒係統運行測（cè）試和檢測的程序和方法（fǎ）。與此同時，在維也納（Vienna）和（hé）波恩 （Bonn）分別建立了設（shè）計處理能（néng）力為400和3,000m3/h的紫外線給水消毒係統處（chù）理效果的測試（shì）基地，在這些試驗基地可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（gōng）作須在這些測試基地完成。總的來看，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（jiè）紹（shào）一（yī）下這些規定的內容。
DVGW Standard W 294針對紫外線給水消毒係統主要做了以（yǐ）下幾方麵內容的規定（dìng）：
支 持材料：主要包括關於紫外（wài）燈、燈罩和紫外感應器的詳細材料以及紫外消毒係統的裝配安裝、操作運行、反應器清洗的程序和方法等。例如，材料中（zhōng）必須說明紫外燈 的類型、操作電源及輸出的（de）紫外波普；如果是采用多波長（zhǎng）的紫外燈，其紫（zǐ）外光波（bō）長必須大部分集中在240~290 nm的範圍內；對於燈罩，必須得指出燈罩的材（cái）料、尺寸及紫外透（tòu）射（shè）波（bō）普等；而對於（yú）紫外感應（yīng）器，應說明其適用波長區間、測量範圍、測量誤差、影響因素（sù）、重新（xīn）校 正（zhèng）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、感應器探測孔以及石英窗（chuāng）等都必須符合規定（dìng）標準（zhǔn）。每個紫外線消毒反應器必須至少 安裝一個在（zài）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（lǜ），同時（shí）還需要另外（wài）一個（gè）紫外感（gǎn）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（shū）出值之（zhī） 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（zhě）更換。每隔15個月，這些（xiē）紫外感（gǎn）應器需要重新測試和校正一（yī）次。另外，感應器與被檢測紫（zǐ）外 燈之間的距離必須滿足以下條件：感應器對紫外燈（dēng）輸出功率的改變的敏感度與對進水紫（zǐ）外透射度（UVT）的敏感度基本一致。
操作（zuò）控製：要求（qiú）必須連續 不間斷地對進水流量、紫外感應器輸出（chū）結果以及相應的（de）輸出紫外通（tōng）量進行監測（cè）。反應器中的輸出紫外通量必須要高於為保證給（gěi）水消毒安全（quán）由（yóu）生物劑量（liàng）試驗得出的最低 紫（zǐ）外通量。另外，還應有突發事（shì）件（jiàn）（如，燈管破裂或輸出紫（zǐ）外通量低於安全（quán）值等）的安全保護措施及報警機製等。
消毒（dú）效果測試（shì）（生物劑量試 驗）：DVGW Standard W 294 規定紫外線消毒的最（zuì）小輸出紫外通量為40 mJ/cm2，由生物劑量試驗法測定反應器的（de）輸出紫外通量，並選定Bacillus Subtilis 孢子作（zuò）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（guò）降低紫外燈功率（降低約30%）或者（zhě）增加進水對紫外線的吸光度（增加（jiā）約20%）來確定。另外， 試驗（yàn）方（fāng）法（fǎ）、設備規格以（yǐ）及試驗條件等（děng）都作了具體的規定。
據不完全統計，目前歐洲至（zhì）少有2000多套紫外線消毒係統被用於城市給（gěi）水消毒，大部（bù）分（fèn）的 處理能力都不超（chāo）過1000m3/h，但是近年來也有一些大型的紫外線給水消（xiāo）毒係統開始投入（rù）建設（shè）和使用。總的來看，紫外線技（jì）術在歐洲國家主要應用於城市給 水、桶/瓶（píng）裝水以及商業和（hé）景觀用水等的消毒（dú）處理（lǐ）中，隻有個別應用於汙水消毒處理。
其他國家或地區
隨歐洲和美國（guó）之後，加拿（ná）大、澳大 利亞、新西蘭、新加坡（pō）、日本以及台灣等國家和地區也紛紛展開了對紫外線消毒（dú）技術的研究和應用。目前，加拿大（dà）安大略省（Ontario）及魁北克省（shěng） （Quebec）正（zhèng）在製定新的城市給水處理（lǐ）標準。這些新的標準參考了（le）美國LT2ESWTR及德國DVGW Standard W 294的相關內容，對紫外線消毒係統的設計（jì）安裝、運行測試、管（guǎn）理維護等方麵都（dōu）作（zuò）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），加強了對（duì）水中Cryptosporidium和Giardia的去除率的要求，使得紫外消毒技術得到了進一步的重視。在新（xīn）西蘭，大 部分（約（yuē）90%）的紫外線給水（shuǐ）消毒（dú）設（shè）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年澳大利亞頒布的最新國家飲用水指 導方針（Australian Drinking Water Guidelines）中也對紫外線給水消（xiāo）毒技術與其他同類處理（lǐ）技術（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（bǐ）較 適合中小規模城市給水處理的一種消毒技術[28]。

4．目前存在的問題

紫外線給水消毒技術的最大缺點就是出（chū）水中沒有殘餘消（xiāo）毒能力。也（yě）就是說，紫外線消毒對出水受到的二次汙 染或者出水中的微生物（wù）通過自我修複機製對被紫外線（xiàn）破環的DNA或RNA進行（háng）修複等無能為力。目前在紫（zǐ）外（wài）線給水消毒中，常采用的方法是在紫外線消毒（dú）流（liú）程之後 再加入適量氯胺等消毒劑以保持給水管網中的殘餘消毒量。紫外（wài）線（xiàn）消毒對進水水（shuǐ）質要（yào）求（qiú）較高（gāo），如果進水水質差的話（huà），不僅消毒效果將受到重大威脅，而且紫外燈係統 的工作周（zhōu）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）結（jié）垢、破裂等問題。由（yóu）於目前給水消毒（dú）中應用的主要是（shì）水銀紫外燈，因（yīn）此如果燈管破裂水（shuǐ） 銀（yín）外漏，也可能會對給水安（ān）全造成威脅。對（duì）消（xiāo）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。從上文中各國的規定（dìng）可以看到，目前主要（yào） 采（cǎi）用生物計量（liàng）法來檢測（cè）反（fǎn）應器中的輸出紫外通量（liàng），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（xiàn）存在（zài）的問題，更不能實現在（zài）線實時監 控。另外，目前還沒有一個係統全麵的關於紫外線給水消毒方麵（miàn）的設計規範和標準。