1．引言

在城（chéng）鎮給（gěi）水處理中，通常采用投加化學藥劑（例如Cl2, ClO2, 或者O3等（děng））的消毒方法。近些年來，研究人員發現在這些傳統的化學藥劑消毒（dú）過程中，會（huì）產生一（yī）些有（yǒu）害的消毒副產物（DBPs），如THM，HAA，以及 HBr 等。由於紫外線消毒不需要（yào）往水中投加任何化學物質，並且可以滅活一些傳統化（huà）學藥劑不能殺死的有害微（wēi）生物，如隱性孢子菌（cryptosporidium ）和藍氏賈地鞭（biān）毛蟲（Giardia lamblia）等[1，2，3，4]，因此紫外線消毒（dú）受到了（le）特別（bié）的重視（shì）。目前在北美和歐洲，紫外線消毒技術及其應（yīng）用是一（yī）個十分活（huó）躍的研究領域，並且有越 來越多的城鎮給水廠（chǎng）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現狀作一簡單介（jiè）紹。

2．紫外線消毒的發展曆史

大約在1個多世紀以前，人們就開始了對紫外線消毒機（jī）理和應用的研究。早在1877年，Downs 和 Blunt 第一次報（bào）道了（le）關於太陽光輻射可以殺滅培（péi）養基中細菌的特性，這（zhè）也揭開了人（rén）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，這主要體現在紫外燈、鎮流器（qì）、紫外感應器（UV sensor）等生產技術領域。下麵對紫（zǐ）外線消毒技術（shù）發展過程中有重要（yào）意義的發明、發現和應用作一簡單回顧。
1901年，汞燈開始被用作（zuò）人造 紫外光源；1903年，Bernard 和 Morgan 發現了對生物最敏感的紫外光（guāng）主要集中在波長（zhǎng）250 nm 左右的區（qū）域內，Bang在（zài）1905年也報道了同樣（yàng）的現象[5]。1904年，Kuch 造出了第（dì）一個石英紫外燈[6]。1906年（nián），石英開始大量（liàng）被用於紫外燈生產和研究領域；1910年，在法國馬賽市（Marseilles），紫外線（xiàn）消毒係 統第一次被用（yòng）於城市給水（shuǐ）處理的生產實（shí）踐中，日處理能力為200 m3/d；之後（約1911年），轎（jiào）車托（tuō）運法國（guó）裏昂市（Rouen）一個地下水源水廠也采用了紫外線消毒[7]。1916年，美國建設了第一個紫外（wài）線消毒係統，用（yòng） 於肯塔基州亨德森市（Henderson）12,000居民的生（shēng）活用水消毒；然後在（zài）隨後的幾年內（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）等地也陸續采用了紫外線消毒技術[6]。1929 年，Gates 對紫外（wài）線消（xiāo）毒的機理（lǐ）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（duì）紫外線的吸收之間的聯係[7]。從1887年（nián）到1930年可以劃為（wéi）紫（zǐ）外線給水 消毒發展的第一（yī）個階段，在這個階段，紫外（wài）線消毒係統的生產技術有了初步的發（fā）展，人們對（duì）消毒機理有了基本的認識，同時紫外線消毒技術已經開始被（bèi）應用於生產（chǎn）實 踐。
20世紀30年代中後期，紫（zǐ）外線消毒的研究和應（yīng）用出現了一次低穀，這主要是由於紫外燈的壽命、設備的操作和維護以（yǐ）及（jí）消毒處理效率和成（chéng）本（běn）等 問題造成的。在此期間，大部（bù）分水廠都（dōu）采用了技術相對成熟、操作簡單、效益較好的氯消毒取（qǔ）代了紫外線消毒。1938年，美國Westinghouse Electric 公司展出了第一個熒光（guāng）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（shū）出功率得到了逐（zhú）步的提高。20世紀40年（nián）代（dài），紫外燈及鎮流器的生產技術 得到了進一步的提（tí）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，由於一些化學（xué）藥劑消毒副產物的發現以及在紫外 燈及相關設備生產技術的不斷（duàn）提（tí）高，紫外線消毒技術的研究和應用又得（dé）到了全麵的（de）重視。特（tè）別是在歐洲，紫外線消毒技術再次（cì）被廣泛（fàn）應用於城鎮給水（shuǐ）處理之中。 1955年，瑞士（shì）和奧地利開始采用紫外線給水消毒（dú）技術，到了1985年（nián）這兩個國家分別大約有500和600個紫外（wài）線消毒設施（shī）已經投入使（shǐ）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，比利時（shí）1957年（nián）建設的紫外線消毒 係統至今仍然在運轉）。到1996年為止，歐（ōu）洲大約有2,000多（duō）個飲用水處（chù）理設施采用了紫外線消毒係統[7，9]。雖（suī）然紫外線給水消毒技術在歐洲已經得 到了（le）較為廣泛的應用，但是在1989年美國環境保護署（US Environmental Protection Agency，簡（jiǎn）稱“USEPA”）頒布的地表水處理條（tiáo）例（Surface Water Treatment Rule，簡稱“SWTR”）中，紫外線消毒技術仍然被認為（wéi）不能有效滅活水中藍氏賈第鞭（biān）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（cóng）1990年，美國水（shuǐ）工業協會（AWWA）以（yǐ）及（jí）美國水工業研究基金會（AWWARF）才開 始投入大量（liàng）資金對（duì）紫外線（xiàn）消毒技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（nián）代中期）可以看作是（shì）紫外線給水消毒發展的第二（èr）個階段。在該階 段，紫外（wài）線給水消毒技術又重新被重視起來，並且在歐洲開始（shǐ）被廣泛應用於城市給水消毒中。另外，在該時（shí）期紫外燈及相關（guān）係統設備生產技術得（dé）到了很大的提高，大 量企業開始涉足於紫（zǐ）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（shí）在2000年USEPA頒布的地（dì）下水（shuǐ）消毒條（tiáo）例 （Groundwater Disinfection Rule, 簡（jiǎn）稱“GWDR”）正式提（tí）到，對於殺活傳統消毒方法不能有效控製的有害病（bìng）原微（wēi）生物，紫外（wài）線消毒技術是******選擇之一[12]。1999年，國際紫外線協會（huì） （International Ultraviolet Association，簡稱“IUVA”）成立，在國際上進一步促進了紫外線（xiàn）在各領域（yù）中應用技術的研究和交流。2002年，USEPA頒布的增強地表水 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（lì）草（cǎo）案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡稱“Stage 2 D/DBPR”）中，紫外線消毒技術被（bèi）給予了特別的重視（shì），被認為是（shì）取代傳統消毒技術的最（zuì）重要、最（zuì）有效和最可行的消毒技術之一。另外在20世紀90年代末， 歐洲各國也頒布了一些有關紫外線給水消毒的規定和標準。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（zhe）紫外線給水消毒的應用和（hé）研究又 進入了（le）一個新的階段。
從上（shàng）麵的發展（zhǎn）過（guò）程可以看出，雖然早在（zài）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（zhēn）正的重（chóng）視和（hé）廣泛的應 用的時間卻並不長。在1998年以前（qián），世界上（shàng）紫外線消毒技術在城市給水處理中的應用主要（yào）集中在（zài）處理能力小於200 m3/h的中（zhōng）小型水廠。1998年以後，由於在紫（zǐ）外線消毒技術領域的一些突破性研究成果（guǒ）的發表，紫外（wài）線消毒技術才開始應（yīng）用於（yú）一些大規模的（de）城市給水處理之 中。例如在1998~1999年間，芬蘭（lán）赫爾辛基市（shì）（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水廠分別進行了（le）改建，增加（jiā） 了紫外線（xiàn）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（yīng）用現（xiàn）狀

3.1 紫外線消毒係統的經濟指標及（jí）處理效果
　　經 過近100多年的發展，紫外線（xiàn）消毒係統設備（包括紫（zǐ）外燈、鎮流器、紫外感應器、燈（dēng）管（guǎn）清洗裝置及反應器控製係統等）的生產技術有了很大的（de）提高。這大大（dà）的降低 了紫外線消毒係統的（de）運行（háng）費用，提高（gāo）了其運行的穩定性，為紫外線消毒技術的廣泛應（yīng）用提供（gòng）了前提（tí）條件。根據（jù）Malley的研究，每1m3/d設計處理能力的紫（zǐ） 外線消毒係統（tǒng）建（jiàn）設費用約為10~20美元，每處理1立（lì）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（dēng）消（xiāo）毒係（xì）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的給水處理設施更適合[15]。對於不同規模的紫外燈給水消毒係統，其建設費用和運行管理（lǐ）費用（yòng）的構（gòu）成比（bǐ）例是不同的。由表1可以看出（chū），日（rì）處理能力（lì）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（fèi）在運行管理費用中的比例卻（què）越大[16]。與其他類似水處理技術相比較（jiào），紫外線（xiàn）消（xiāo）毒（dú）具有投資 較少、操作簡單、占地麵積（jī）小、處理效果較好等優（yōu）點。
另外，近年來對紫外線消毒性能的大量研究（jiū）表明（míng）紫外（wài）線對水（shuǐ）中一些（xiē）頑固的（de）有害（hài）微生物，如隱性孢 子菌（Cryptosporidium）、藍氏賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）、軍團菌（Legionella pneumophila）、沙（shā）門（mén）氏菌（Salmonella spp.）等，具有良（liáng）好的（de）滅活效果 [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（suān）、MTBE、TCE、NDMA以及TNT等，氧化分解（jiě）為簡單產物水（shuǐ）、二 氧化碳等[20，21，22，23]。

3.2 各國對紫外線給水消毒處（chù）理的規定及（jí）應用
紫外線消毒技術的這些優（yōu）點徹底改變了以前人們對其的看法，成為備受世界各（gè）國廣（guǎng）泛關注的一種給水消毒技術。下麵（miàn）就簡單（dān）列舉一些國家或地區目前應用紫外線給水消毒技術的情（qíng）況及有關規定。
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（wēi）生物及（jí）消毒副產物，美國在2002年頒（bān）布了（le）增（zēng）強（qiáng）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（dú）副（fù）產物條（tiáo）例草案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡（jiǎn）稱“Stage 2 D/DBPR”）。LT2ESWTR適用於所有受地（dì）表水直接影響的地表或地下水源公共給水係（xì）統（Public Water Systems）。同時，為了保證（zhèng）紫外線（xiàn）消毒係統的處理（lǐ）效果，USEPA針（zhēn）對Giardia、Cryptosporidium和病（bìng）毒的去除效率（lǜ）規定了消毒 係（xì）統中應達到的最小紫外線通量的要求。
1．對（duì）於過（guò）濾係統，在滿足IESWTR和LT1ESWTR的基礎上（shàng），需額外達到的去除率；
2．對於非過濾係統，至少需達（dá）到的（de）去除率；
3．運行年度均值（Running Annual Averages）；
4．消（xiāo）毒副產物最高允許的濃度水平（Maximum Contaminant Levels）；
5．個別（bié）監測點（diǎn）運行年均值（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的（de）或者水中（zhōng）含有殘留（liú）消毒劑（jì）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（shī）。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（zhí）最高濃度標準，也就是說允許個別監測點處的消毒副產（chǎn）物濃度高於規定值。但是對（duì）於Stage 2來說（shuō），它不僅要求每個（gè）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最高值水平。由於紫外線消毒過程中，並不需（xū）要向水中加入任何化學藥劑，因此不存在出水中含有殘 留消毒劑的問題。另外，在目前的大量研究中，還沒（méi）有發現紫（zǐ）外線消毒（dú）過程可以產生有害（hài）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，使得紫外線（xiàn）消毒技術在美國成為備受關注的一種給水（shuǐ）處理技（jì）術，並且已有多家水處理廠（>800家）改擴建 或（huò）新建了紫外線消（xiāo）毒係統。特別是近5年（nián）來，紫（zǐ）外線消毒（dú）技術正逐漸開始應用於一些大型的給水（shuǐ）處理廠。據2000年美國環境保護署的一項調查報告，美國正在建 設幾（jǐ）個大型的紫外線給水消（xiāo）毒係統[24]。另外，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（ōu）洲
在歐洲， 紫外線在給水消毒中的應用具有較長的曆史，因此經驗比較豐（fēng）富。在1996~1997年間，奧地利（lì）和德國（guó）分（fèn）別頒布了關（guān）於紫外線給水消（xiāo）毒的有關規（guī）定（奧地 利：ÖNorm M5873；德國：DVGW Standard W 294）。它（tā）們都規定了（le）紫外線給水消毒係統的一些（xiē）特點，並（bìng）給出了關（guān）於消毒係統運行測（cè）試和檢測的程序和方法。與此同時，在維也納（nà）（Vienna）和波恩 （Bonn）分別（bié）建立了設計處理（lǐ）能力為400和3,000m3/h的紫外線給水（shuǐ）消毒係統處理效果的測試基（jī）地，在這些試驗基地可（kě）以進行不同操作（zuò）條件下的生物 劑量試驗（Biodosimetry）[9，25]。根據規定（dìng）（ÖNorm M5873 和（hé） DVGW Standard W 294），給水廠紫外線消毒係統（tǒng）的測試和鑒定工作須在這些測試基地完成（chéng）。總的來看，歐洲各國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（jiǎn）單介紹一（yī）下這些規定（dìng）的內容。
DVGW Standard W 294針對紫外線給水消毒係統（tǒng）主要（yào）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（gǎn）應器的詳細材料以及紫（zǐ）外消毒（dú）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（cái）料中必須說明紫外燈 的類型、操作電源（yuán）及輸出（chū）的紫外波普；如果是采用多波長的（de）紫外燈，其紫外光波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料、尺寸及紫外透射波普等；而對於紫外感應器，應說明（míng）其適用波長區間、測（cè）量範圍、測量（liàng）誤差、影響因素、重新校 正的要求及周期等。
紫外感應器（qì）：紫外感應器的尺（chǐ）寸大小（xiǎo）、性能特點（diǎn）、感（gǎn）應器探測（cè）孔以及石英窗等都必須符合規定（dìng）標準。每個紫外線消（xiāo）毒反應器（qì）必須至少 安裝一個（gè）在線紫外感應器，能夠實時監測反應器中紫外燈的輸出功（gōng）率，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（guǒ）發（fā）現它們輸出值之 間（jiān）的誤差超出允許範圍，那麽在線紫外感（gǎn）應器可能需（xū）要清洗、校正或者更換。每隔15個月，這些紫外感應器（qì）需要重（chóng）新測試和（hé）校正一次。另外，感應器與被（bèi）檢測紫外 燈之間的距離必須（xū）滿足以下條件：感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）的敏感度基本一致。
操作控製：要求必（bì）須連續 不（bú）間（jiān）斷地對進水流量、紫（zǐ）外感應器輸出結果以及相應的輸出紫外通量進行監測（cè）。反（fǎn）應器（qì）中的輸出紫外通量必須要高（gāo）於為（wéi）保證給水消毒安全由生物劑量試驗得出的最低 紫外通量。另外，還應有（yǒu）突發事件（如，燈管破（pò）裂或輸出紫外通量低於安全值等）的安全保護措施及報警機製等。
消毒效果（guǒ）測試（生物劑量試 驗）：DVGW Standard W 294 規定紫外線消（xiāo）毒的最小輸出紫外通量為40 mJ/cm2，由生物劑量試驗法測（cè）定反應器的輸出紫（zǐ）外通（tōng）量，並選定Bacillus Subtilis 孢子（zǐ）作（zuò）為實驗過程中的目標微生物（wù）。最小輸出紫外通量可以（yǐ）通過降低紫外（wài）燈功率（降（jiàng）低約30%）或（huò）者增加進水對紫外線的吸光（guāng）度（增（zēng）加約20%）來確定。另外， 試驗方法、設備規（guī）格以及（jí）試驗條件等都作了具體的規定。
據不完（wán）全統計，目前（qián）歐洲至少有2000多套（tào）紫外線（xiàn）消（xiāo）毒係統被用於城市給水消毒，大部分的 處理能力都不超過1000m3/h，但是近年來也（yě）有一些大（dà）型的紫外線給水（shuǐ）消毒係統開（kāi）始投入建設和使用。總的（de）來看，紫外（wài）線（xiàn）技（jì）術在（zài）歐洲國家主要應用於城市給 水、桶/瓶裝水以及商業和景觀用水等的消毒處理中，隻有個別（bié）應用（yòng）於汙水消毒（dú）處理。
其他國家或地區
隨歐洲和美國（guó）之後，加（jiā）拿大（dà）、澳大 利亞、新西蘭（lán）、新（xīn）加（jiā）坡、日本以（yǐ）及台灣（wān）等國家和地區也紛（fēn）紛展開了對紫外線消毒技術的研究和應用。目前，加拿大安大略省（Ontario）及魁北克省 （Quebec）正在製定新的城市給水處理標準（zhǔn）。這些新的標（biāo）準參考了美國（guó）LT2ESWTR及德國DVGW Standard W 294的相關內容，對紫外線消毒係統的設計安裝、運行測試、管理維護等方（fāng）麵都作了詳細規定[26]。2000年新（xīn）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的去除率的要求，使得（dé）紫外消毒（dú）技術得到了進一步的重視。在新西蘭，大 部分（約（yuē）90%）的紫（zǐ）外線（xiàn）給水消毒設施用於服（fú）務人（rén）口為1000~1500人左右的城（chéng）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（wài）線給水消毒技術與其他同類處理技術（氯（lǜ）、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（wài）線是比較 適（shì）合中小規模城市給水處理的一種消毒（dú）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水中沒有（yǒu）殘餘消毒（dú）能力。也就是說，紫外（wài）線消（xiāo）毒對（duì）出水受到的二次汙（wū） 染或者（zhě）出水中的（de）微生物通過自我修複（fù）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（cǎi）用（yòng）的方法是在紫外線消毒（dú）流程之後 再加入適量氯胺等（děng）消毒劑以保持給水管網中的（de）殘餘消毒量（liàng）。紫外線消毒對進水水質要（yào）求較高，如果進（jìn）水水質差的話，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（néng）會（huì）出現消毒不完全或紫外燈（燈罩）結垢、破裂等問題。由於目前給水消毒中應用的主要是水銀紫外燈（dēng），因此如果燈管破裂水 銀外漏，也可能會對給水安全造成威脅。對消（xiāo）毒反應器（qì）中的輸出紫外通量的檢測也（yě）是（shì）一個影響紫外（wài）線給水消毒的重要問題（tí）。從上文中各（gè）國的（de）規（guī）定（dìng）可以看到（dào），目前主要 采（cǎi）用（yòng）生（shēng）物計量法來檢測反應器中的輸出紫外通（tōng）量，然而這樣的實驗操作複雜並（bìng）且需（xū）要較長的時（shí）間才（cái）能得到結果，不能及時發現存在的問題，更（gèng）不能實現在線實時（shí）監 控。另外，目前還沒有一個係統全麵的關於（yú）紫外線給水消毒方麵的設計規範和標準。