1．引言

在城鎮給水處理中，通常采（cǎi）用投加化學藥劑（例如Cl2, ClO2, 或者（zhě）O3等）的消毒方法。近（jìn）些年來，研究人員發現（xiàn）在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（jí） HBr 等。由於紫（zǐ）外線消毒不需要往（wǎng）水中投加任何化學物質，並且（qiě）可以滅活一些（xiē）傳統化（huà）學藥劑不能殺死的有害微生物，如隱性孢子菌（cryptosporidium ）和藍氏賈地（dì）鞭毛蟲（Giardia lamblia）等（děng）[1，2，3，4]，因此（cǐ）紫外（wài）線消毒受到了特別的重視。目前在北美和歐洲，紫（zǐ）外線消毒技術及其應用是一個十分活躍的研究領域，並且（qiě）有越 來越多的城鎮給水廠采用了紫外線（xiàn）消毒措施。本文擬對紫外線消毒技術在給水處理中應用的發（fā）展曆史及應用現狀作一簡單介紹。

2．紫外線消毒的發展曆史

大（dà）約在1個多世紀以前，人們就開始（shǐ）了對紫外線消毒機理和應用的研究。早在1877年，Downs 和（hé） 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，這也揭開了人們對紫外線消毒研究和應用的序幕[5]。但是（shì），早期（qī）的研（yán）究和應用在很（hěn）大程度上受到（dào）了 紫外線消毒硬件設施生產技術的局限，這主要體現（xiàn）在紫外燈、鎮流器、紫外感應器（UV sensor）等生產技術領（lǐng）域。下麵對紫（zǐ）外線消毒技術發（fā）展過程中有重要意義的發（fā）明、發現和應用作一簡（jiǎn）單回顧。
1901年，汞燈開始被用（yòng）作人造 紫外光（guāng）源；1903年，Bernard 和 Morgan 發（fā）現了對生物最敏（mǐn）感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（yě）報道了同樣的現象[5]。1904年，Kuch 造出了第一個石英紫（zǐ）外燈[6]。1906年，石英開始大量（liàng）被用於紫外燈生產和研究領域；1910年，在法（fǎ）國馬賽市（Marseilles），紫外線消（xiāo）毒係 統第一次被（bèi）用於城市給水（shuǐ）處理的生產實踐中，日處理能力為200 m3/d；之後（約1911年），轎（jiào）車托運法國裏（lǐ）昂市（Rouen）一個地（dì）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（gè）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（huó）用水消毒；然後在隨後（hòu）的幾年內（1923~1928年），在俄亥俄（é）州伯利亞（yà）市 （Berea）、肯薩斯（sī）州（zhōu）霍爾頓市（Horton）、俄亥俄州匹茲堡市（Perrysburg）等地也（yě）陸續（xù）采用了紫（zǐ）外線消毒技術[6]。1929 年，Gates 對紫外線消毒的機理做（zuò）了深（shēn）入地研究，並第（dì）一次確立了細菌（jun1）的滅活[①]與核酸對紫外線的吸收之間的（de）聯係[7]。從1887年到1930年可以劃為紫（zǐ）外線給水 消毒發展（zhǎn）的第（dì）一個階段，在這個階段，紫外線消毒係統（tǒng）的生產技術有了（le）初步的發展，人們對消毒機理有了基本的認識，同（tóng）時紫外線消毒技術已經開始被應用於生產實 踐。
20世紀30年代（dài）中後期，紫外線消毒的研究和應用出現了一次低穀，這主（zhǔ）要是由於紫外燈的壽命、設備的操作和維護以及消毒處理效（xiào）率（lǜ）和成本等 問題造成的。在此期間，大部（bù）分水廠都采用了技術相對成熟、操作簡（jiǎn）單、效（xiào）益較好（hǎo）的氯消毒取代了紫外線消毒。1938年，美國Westinghouse Electric 公司展出了（le）第一個熒光（guāng）氣體放電（diàn）管狀紫外燈（簡稱“熒（yíng）光燈（dēng）”），至此紫外燈的壽命和輸出功（gōng）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（shù） 得到了進（jìn）一步的提高，這為以後紫外線消毒技術的使用和推廣奠定（dìng）了（le）基礎（chǔ）[8]。
20世紀50年代（dài），由於一些化學藥劑消毒（dú）副產物的發現以及在紫外 燈及相關設備生產技術（shù）的不斷提高，紫外線消毒技術的研究和應用又得到了全麵（miàn）的重視。特別是在歐洲，紫外線消毒技（jì）術（shù）再次被（bèi）廣泛應用於（yú）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（zhè）兩個國家（jiā）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 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用紫外線消毒技術（值得一提的是，比利時1957年建設的紫外（wài）線消毒 係統（tǒng）至今仍然（rán）在運轉（zhuǎn））。到1996年（nián）為（wéi）止，歐洲大約有2,000多（duō）個飲用水（shuǐ）處理設施采用（yòng）了紫外（wài）線消毒係統[7，9]。雖然紫外線給水消（xiāo）毒技術（shù）在歐洲已經得 到了較為廣泛的（de）應用，但是在1989年美國環境保護（hù）署（shǔ）（US Environmental Protection Agency，簡稱“USEPA”）頒布的地表水處（chù）理條（tiáo）例（Surface Water Treatment Rule，簡稱“SWTR”）中，紫外線消毒技術仍然被認為不能有效滅活水中（zhōng）藍氏賈第（dì）鞭毛蟲（Giardia lamblia）、隱性孢子菌（Cryptosporidium parvum）等水中有害病原菌，因此在美（měi）國仍然沒有得到重視。從1990年，美（měi）國水工業協會（AWWA）以及美國水（shuǐ）工業研究基金會（AWWARF）才開 始投入大（dà）量（liàng）資金對紫外線消毒技術展開全麵係統的（de）研究。這段時期（qī）（從20世紀50年代初（chū）到（dào）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。在該階 段，紫外線給水消毒技術又重新被重視（shì）起來，並且（qiě）在歐（ōu）洲開始被廣泛應用（yòng）於城市給水消毒中。另（lìng）外，在（zài）該時期紫外燈（dēng）及相關係統設備生產技術得到了（le）很大的提（tí）高，大 量企業開始涉足於紫外線消（xiāo）毒係統的生（shēng）產、安裝以及配套服務的商業活動中。
1998~2000年期間，大（dà）量的研究（jiū）發現紫外（wài）線消毒技術對 Cryptosporidium和Giardia有（yǒu）很好的滅活效果[1，2，10，11]。同時在2000年USEPA頒布的地下水消毒條例 （Groundwater Disinfection Rule, 簡稱“GWDR”）正式提到，對於殺活傳統消毒方法不能有效控製的有害病原微生物，紫外線消毒技術是（shì）******選（xuǎn）擇之一[12]。1999年，國際紫（zǐ）外線協會 （International Ultraviolet Association，簡（jiǎn）稱“IUVA”）成立，在國際上進一（yī）步促進了紫（zǐ）外線在（zài）各領域中應用技術的（de）研（yán）究和交流。2002年，USEPA頒布的增強地表水 處（chù）理條例草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，簡（jiǎn）稱“LT2ESWTR”）以及消毒劑及消毒副產物（wù）條例草案（àn）（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡稱“Stage 2 D/DBPR”）中，紫外線消毒技術被給（gěi）予了特別的重（chóng）視，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（lìng）外在（zài）20世紀90年代末（mò）， 歐洲各國也頒布了一些有關紫（zǐ）外線給水消毒的規定和標準。從1998年開始，對紫外線消毒（dú）的重大發現以及IUVA的（de）成立標（biāo）誌著（zhe）紫外線給（gěi）水消毒的（de）應用和研究（jiū）又 進入了一個新的階段。
從（cóng）上麵的發展過程可以看出，雖然（rán）早（zǎo）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，但是真正（zhèng）的重視和廣泛的應 用的（de）時間卻並不（bú）長。在1998年以前，世界上（shàng）紫外（wài）線消毒技術在城市給（gěi）水處理中的應（yīng）用主（zhǔ）要集中在（zài）處理能力小於200 m3/h的中小型水廠。1998年以後，由於在紫外線消毒技術（shù）領域的一些（xiē）突破性（xìng）研究（jiū）成果的發表（biǎo），紫外線消毒技術才開始應用於一些大（dà）規模的城市給水處理之 中。例如在1998~1999年間，芬蘭赫爾（ěr）辛基市（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水廠（chǎng）分別（bié）進行了改建，增加 了紫外線消（xiāo）毒係統，總處（chù）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年左右也安裝了紫外線消毒設施，日處理能力為15,000 m3/h[14]。

3．紫外（wài）線消毒技術的（de）應用現狀

3.1 紫外線消毒（dú）係統的經濟指標及處理效果
　　經 過近（jìn）100多年（nián）的發展，紫（zǐ）外線消毒係（xì）統設備（包括紫外燈、鎮流器、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（dī） 了紫外線消毒係統的運行（háng）費用，提高了其運行的穩定性（xìng），為紫外線消毒技術的（de）廣泛應用提供了前提條件。根據Malley的研究，每1m3/d設計處理能力的紫 外線消（xiāo）毒（dú）係統建設費用約為10~20美元，每處理1立方米進水的日常（cháng）運行維護（hù）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（wài）燈消毒係統對於處理能力高於8,000 m3/d的（de）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費用的構成比例是不同的。由表1可以看出，日（rì）處（chù）理能力越 大的係統，紫外燈係統設備費在建設費用（yòng）中所（suǒ）占的比（bǐ）例越小，而（ér）電費在運行管理費用中的比例卻越大[16]。與其他類似（sì）水處理技術相比（bǐ）較（jiào），紫外線消毒具有投資 較少、操作（zuò）簡單、占地麵積小、處理效果較好（hǎo）等優點。
另外，近年來對紫外線消毒性能的大量研究表明紫（zǐ）外線（xiàn）對水中一些頑固的有害微生物，如隱性孢（bāo） 子菌（Cryptosporidium）、藍氏（shì）賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）、軍團菌（Legionella pneumophila）、沙門氏菌（Salmonella spp.）等（děng），具（jù）有良好的滅活效果 [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、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 各國對紫外（wài）線給水消毒處（chù）理的規定及應用
紫外線消毒技術的這些優點（diǎn）徹底改（gǎi）變了以前人們（men）對其的看法，成為備（bèi）受世（shì）界各國廣泛關注的一種（zhǒng）給水消毒技術。下麵就簡單列舉（jǔ）一些國家或地區目前（qián）應用紫外線給水消毒（dú）技術的（de）情況及有關規定。
美國
如上文所述，為了提高生活用（yòng）水（shuǐ）安全，減少水中有害微生物及消毒副產物，美國在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（jiǎn）稱“LT2ESWTR”）以及消毒劑及消毒副（fù）產（chǎn）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地表或地下水源公（gōng）共給水係統（Public Water Systems）。同時，為了保證紫外（wài）線消毒係統的處理效果，USEPA針對Giardia、Cryptosporidium和病毒的去除效率規定了消毒 係（xì）統中應達（dá）到的最小紫外線通量（liàng）的要求。
1．對於過濾係統，在滿足IESWTR和LT1ESWTR的基礎上，需額外達到的去除率；
2．對於非過濾係統，至少需達（dá）到的去除率；
3．運行年度均值（Running Annual Averages）；
4．消毒（dú）副產物最高（gāo）允許的濃度水平（Maximum Contaminant Levels）；
5．個別監測點運行年均（jun1）值（zhí）（locationsal Running Annual Averages）；
6．Stage 2分Stage 2A和2B兩（liǎng）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或者水中含有殘留消毒劑的地表或地下水源（yuán）公有給水係（xì）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（de）總平均值最高（gāo）濃度標準，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（zhí）。但是對於Stage 2來（lái）說，它不僅要求每（měi）個運（yùn）行年度總的消毒副產物濃度水平不得超過Stage 1所規定（dìng）的最高值，而且還限製了各（gè）個監測點處的副產物濃度的最高值水平。由於紫外線消（xiāo）毒過程中，並不（bú）需要向水中加入（rù）任何化學藥劑，因此不存在出水中（zhōng）含有（yǒu）殘 留消毒劑的問題。另外，在目前的大量研究中，還沒有發現紫外線消毒過程可以產生有（yǒu）害的消毒副（fù）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，使得紫外線消毒技術在美國成為備受（shòu）關注的一種給水處理技術，並且已有多家水處理廠（>800家（jiā））改擴建 或新建了紫外線消毒係統。特別是近5年來，紫外線消（xiāo）毒技術正逐漸開始應（yīng）用於一些大型的給水處理廠。據2000年美國環境保護署的一項調查報告，美國（guó）正在建 設幾個大型的紫外線給水消毒係統[24]。另外，在美國（guó）紫外線消毒技術還被廣泛的應用於汙水廠二（èr）級處理出水的消毒。
歐洲
在（zài）歐洲（zhōu）， 紫外線在給水消毒中的應用具有較長的（de）曆史，因（yīn）此經驗比較（jiào）豐富。在1996~1997年間，奧地利和德國分別頒布（bù）了關於紫外線給水消毒的有（yǒu）關規定（奧地 利（lì）：ÖNorm M5873；德國（guó）：DVGW Standard W 294）。它們都規定（dìng）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（jiǎn）測的程序和方法。與此同時，在維也納（Vienna）和波恩 （Bonn）分別建立了設計處理能力為400和3,000m3/h的紫外線給水（shuǐ）消毒係統處理效果的測（cè）試基（jī）地，在這些試驗基地可以進行不同操作條件下（xià）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（jiàn）定工作須在這些（xiē）測試基地完成。總的來（lái）看，歐洲各國對紫外線消毒的一些（xiē）規定比較類似。下麵以DVGW Standard W 294為例（lì）簡單介紹一下這些規定的內容。
DVGW Standard W 294針對紫外線給水消毒係統主要做了以下幾（jǐ）方（fāng）麵內容（róng）的規定（dìng）：
支 持材料：主要（yào）包括關於紫外燈、燈（dēng）罩（zhào）和紫外感應器的詳細材料以及紫外消毒係統的（de）裝（zhuāng）配安裝、操作運行、反應器清洗的程序和方法等。例如，材料中必須說明（míng）紫外燈 的類型、操作（zuò）電源及輸出的紫外波普；如果是采用多波長的紫外燈，其紫外（wài）光（guāng）波長必須大部（bù）分集中在240~290 nm的範圍內（nèi）；對於燈罩，必須得（dé）指出（chū）燈（dēng）罩的材料、尺寸及紫外透射波普等；而對於紫外感應器，應說明其適用波長區間、測量範圍（wéi）、測量誤差、影響因素、重新校 正的（de）要求及周期等。
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等都必須符合規定標準。每（měi）個紫外（wài）線消毒反應器必須至少 安裝一個在線紫外感（gǎn）應器，能夠實時監（jiān）測反應器中紫外燈的輸出功率，同時還需（xū）要另外一個紫外感應器作為參照（zhào）來驗證在線感應器的輸出值。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（qīng）洗、校正或者更換。每隔15個月，這些紫外感（gǎn）應器需（xū）要重（chóng）新測試和校正一次。另外，感應器與（yǔ）被檢測紫外 燈之間的距離必須滿足以下條件：感應器對（duì）紫外燈輸出功率的改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：要求必（bì）須連續 不間斷地對進水流量、紫外感應器輸出結果（guǒ）以及相應的輸（shū）出紫外通量進行監測。反應器中的輸出紫（zǐ）外通量必（bì）須要高於為保（bǎo）證給水消毒安全由生（shēng）物劑量試驗得出的最低 紫外通量。另外，還應有突（tū）發事件（如（rú），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（jǐng）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，由生物劑量試驗法測（cè）定反應器的輸出紫外通量，並選定Bacillus Subtilis 孢子作為實（shí）驗過程中的目標微生物。最小輸出紫外通量可以通過降低紫（zǐ）外燈功率（lǜ）（降低（dī）約30%）或者（zhě）增加進水對紫外線的吸光（guāng）度（增加約20%）來確定。另外（wài）， 試驗方法、設備規格以及試驗條件等都作了具體的規定（dìng）。
據不完全（quán）統計，目前歐洲至少有2000多套紫外線消毒係統被用於城（chéng）市給（gěi）水消毒，大（dà）部分的 處理能（néng）力都不超過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（shè）和使用。總的來看，紫外線技術在歐洲國家主要（yào）應用於城（chéng）市給 水、桶/瓶裝水（shuǐ）以及商（shāng）業（yè）和景觀（guān）用水等的消毒處理中，隻有個別應用於汙水消毒處理。
其他國家或地區（qū）
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（děng）國家（jiā）和地區也紛紛展開了對紫外線消（xiāo）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（shì）給水處（chù）理（lǐ）標準。這些新的標準參（cān）考了美國LT2ESWTR及德國DVGW Standard W 294的相關內容（róng），對（duì）紫外線消（xiāo）毒係統的設計安裝、運行（háng）測試、管理維護等方麵都（dōu）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），加強了對水中Cryptosporidium和Giardia的去除率的要求，使得紫外消毒（dú）技術得到了進一步的重視。在新（xīn）西蘭，大 部分（約90%）的（de）紫（zǐ）外線給水消毒設施用於服務人（rén）口為1000~1500人左右的城鎮小（xiǎo）型（xíng）給水處理廠[27]。2004年（nián）澳大利（lì）亞頒布的最新國家（jiā）飲用水指 導方針（Australian Drinking Water Guidelines）中（zhōng）也對紫外線給水消（xiāo）毒技術與其他同類（lèi）處理技術（氯、氯胺、二氧化氯、臭（chòu）氧消毒等）進行了分析對比（如表5所示），認為紫外線是比較 適合中小規模城市（shì）給水處理的一種消毒技術[28]。

4．目前存在的問題

紫外線（xiàn）給水消毒技術的******缺點就是出水中沒有殘餘消毒能力。也就是說，紫外線消毒對出水受到的二次汙 染或者出水中的微生物通過自我修複機製對被紫外線破環的（de）DNA或RNA進（jìn）行（háng）修複等無能為力。目（mù）前在紫外線給水消毒中，常采（cǎi）用的（de）方法是在（zài）紫外線消毒（dú）流程之後 再加入（rù）適量氯胺等消毒劑以保持給水管網中的殘餘消毒量。紫（zǐ）外線消毒對進水水質要求較高，如果進水水質差的話，不僅消（xiāo）毒效果將受到重大威脅，而且紫外燈（dēng）係統 的工作周期和壽命也（yě）要受到影響（xiǎng），可能會出現消毒不（bú）完全或紫外燈（燈罩）結垢、破裂等問題。由於目（mù）前給水消毒中應用的（de）主要（yào）是水銀紫外燈，因此如果燈管破（pò）裂水 銀外漏，也可能會（huì）對給水安全造成威脅。對消（xiāo）毒反應器中的輸出紫外通量的檢測也是（shì）一個影響紫外線給水消（xiāo）毒的（de）重要問題。從上文中各國的規定（dìng）可以（yǐ）看到，目前主要 采用生物計量法來（lái）檢測反應器中的輸出紫外通量，然而這樣（yàng）的（de）實驗操作複雜並（bìng）且需要較長的時間才能得（dé）到結果（guǒ），不能及（jí）時發現存在的問題，更不能實現在線實時監 控。另外，目前還沒有（yǒu）一個係統全麵的關（guān）於紫外線給水消毒（dú）方麵的設計規範和標準。