紫外线消毒技术在给水处理中的发展历史及应用现状

紫外线消毒技术在给水处理中的发展历史及应用现状

摘要：本文回顾了紫外线消毒技术在给水处理中应用的发展过程以及目前在各国的应用现状。文章中以美国的LT2ESWTR和Stage 2 D/DBPR以及德国的DVGW Standard W 294等为例，简单讨论了各国对紫外线给水消毒技术的有关规定。另外，对紫外线消毒技术目前存在的问题作了简略分析。

关键词：紫外线消毒，给水处理，法规

History and Current Application of Ultraviolet Disinfection in Drinking Water Treatment

By Feng, Yangang

Abstract: It was discussed about the historical development of ultraviolet (UV) disinfection process in drinking water treatment and the current application throughout the world. Based on the LT2ESWTR (USEPA), Stage 2 D/DBPR (USEPA), and DVGW Standard W 294 (Germany DVGW), regulations about UV disinfection were summarized. In addition, the disadvantages of UV disinfection were simply analyzed in this paper.

Key words: ultraviolet disinfection, drinking water treatment, regulations

1．引言

　　在城镇给水处理中，通常采用投加化学药剂（例如Cl₂, ClO₂, 或者O₃等）的消毒方法。近些年来，研究人员发现在这些传统的化学药剂消毒过程中，会产生一些有害的消毒副产物（DBPs），如THM，HAA，以及 HBr 等。由于紫外线消毒不需要往水中投加任何化学物质，并且可以灭活一些传统化学药剂不能杀死的有害微生物，如隐性孢子菌（cryptosporidium ）和蓝氏贾地鞭毛虫（Giardia lamblia）等[1，2，3，4]，因此紫外线消毒受到了特别的重视。目前在北美和欧洲，紫外线消毒技术及其应用是一个十分活跃的研究领域，并且有越来越多的城镇给水厂采用了紫外线消毒措施。本文拟对紫外线消毒技术在给水处理中应用的发展历史及应用现状作一简单介绍。

2．紫外线消毒的发展历史

　　大约在1个多世纪以前，人们就开始了对紫外线消毒机理和应用的研究。早在1877年，Downs 和 Blunt 第一次报道了关于太阳光辐射可以杀灭培养基中细菌的特性，这也揭开了人们对紫外线消毒研究和应用的序幕[5]。但是，早期的研究和应用在很大程度上受到了紫外线消毒硬件设施生产技术的局限，这主要体现在紫外灯、镇流器、紫外感应器（UV sensor）等生产技术领域。下面对紫外线消毒技术发展过程中有重要意义的发明、发现和应用作一简单回顾。
　　1901年，汞灯开始被用作人造紫外光源；1903年，Bernard 和 Morgan 发现了对生物最敏感的紫外光主要集中在波长250 nm 左右的区域内，Bang在1905年也报道了同样的现象[5]。1904年，Kuch 造出了第一个石英紫外灯[6]。1906年，石英开始大量被用于紫外灯生产和研究领域；1910年，在法国马赛市（Marseilles），紫外线消毒系统第一次被用于城市给水处理的生产实践中，日处理能力为200 m³/d；之后（约1911年），法国里昂市（Rouen）一个地下水源水厂也采用了紫外线消毒[7]。1916年，美国建设了第一个紫外线消毒系统，用于肯塔基州亨德森市（Henderson）12,000居民的生活用水消毒；然后在随后的几年内（1923~1928年），在俄亥俄州伯利亚市（Berea）、肯萨斯州霍尔顿市（Horton）、俄亥俄州匹兹堡市（Perrysburg）等地也陆续采用了紫外线消毒技术[6]。1929年，Gates 对紫外线消毒的机理做了深入地研究，并第一次确立了细菌的灭活[①]与核酸对紫外线的吸收之间的联系[7]。从1887年到1930年可以划为紫外线给水消毒发展的第一个阶段，在这个阶段，紫外线消毒系统的生产技术有了初步的发展，人们对消毒机理有了基本的认识，同时紫外线消毒技术已经开始被应用于生产实践。
　　20世纪30年代中后期，紫外线消毒的研究和应用出现了一次低谷，这主要是由于紫外灯的寿命、设备的操作和维护以及消毒处理效率和成本等问题造成的。在此期间，大部分水厂都采用了技术相对成熟、操作简单、效益较好的氯消毒取代了紫外线消毒。1938年，美国Westinghouse Electric 公司展出了第一个荧光气体放电管状紫外灯（简称“荧光灯”），至此紫外灯的寿命和输出功率得到了逐步的提高。20世纪40年代，紫外灯及镇流器的生产技术得到了进一步的提高，这为以后紫外线消毒技术的使用和推广奠定了基础[8]。
　　20世纪50年代，由于一些化学药剂消毒副产物的发现以及在紫外灯及相关设备生产技术的不断提高，紫外线消毒技术的研究和应用又得到了全面的重视。特别是在欧洲，紫外线消毒技术再次被广泛应用于城镇给水处理之中。1955年，瑞士和奥地利开始采用紫外线给水消毒技术，到了1985年这两个国家分别大约有500和600个紫外线消毒设施已经投入使用[7]。另外，比利时、挪威和荷兰也分别在1957年、1975年和1980年开始在城市给水中投入使用紫外线消毒技术（值得一提的是，比利时1957年建设的紫外线消毒系统至今仍然在运转）。到1996年为止，欧洲大约有2,000多个饮用水处理设施采用了紫外线消毒系统[7，9]。虽然紫外线给水消毒技术在欧洲已经得到了较为广泛的应用，但是在1989年美国环境保护署（US Environmental Protection Agency，简称“USEPA”）颁布的地表水处理条例（Surface Water Treatment Rule，简称“SWTR”）中，紫外线消毒技术仍然被认为不能有效灭活水中蓝氏贾第鞭毛虫（Giardia lamblia）、隐性孢子菌（Cryptosporidium parvum）等水中有害病原菌，因此在美国仍然没有得到重视。从1990年，美国水工业协会（AWWA）以及美国水工业研究基金会（AWWARF）才开始投入大量资金对紫外线消毒技术展开全面系统的研究。这段时期（从20世纪50年代初到90年代中期）可以看作是紫外线给水消毒发展的第二个阶段。在该阶段，紫外线给水消毒技术又重新被重视起来，并且在欧洲开始被广泛应用于城市给水消毒中。另外，在该时期紫外灯及相关系统设备生产技术得到了很大的提高，大量企业开始涉足于紫外线消毒系统的生产、安装以及配套服务的商业活动中。
　　1998~2000年期间，大量的研究发现紫外线消毒技术对Cryptosporidium和Giardia有很好的灭活效果[1，2，10，11]。同时在2000年USEPA颁布的地下水消毒条例（Groundwater Disinfection Rule, 简称“GWDR”）正式提到，对于杀活传统消毒方法不能有效控制的有害病原微生物，紫外线消毒技术是最佳选择之一[12]。1999年，国际紫外线协会（International Ultraviolet Association，简称“IUVA”）成立，在国际上进一步促进了紫外线在各领域中应用技术的研究和交流。2002年，USEPA颁布的增强地表水处理条例草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，简称“LT2ESWTR”）以及消毒剂及消毒副产物条例草案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，简称“Stage 2 D/DBPR”）中，紫外线消毒技术被给予了特别的重视，被认为是取代传统消毒技术的最重要、最有效和最可行的消毒技术之一。另外在20世纪90年代末，欧洲各国也颁布了一些有关紫外线给水消毒的规定和标准。从1998年开始，对紫外线消毒的重大发现以及IUVA的成立标志着紫外线给水消毒的应用和研究又进入了一个新的阶段。
　　从上面的发展过程可以看出，虽然早在100多年前人们就开始了对紫外线消毒技术的研究和应用，但是真正的重视和广泛的应用的时间却并不长。在1998年以前，世界上紫外线消毒技术在城市给水处理中的应用主要集中在处理能力小于200 m³/h的中小型水厂。1998年以后，由于在紫外线消毒技术领域的一些突破性研究成果的发表，紫外线消毒技术才开始应用于一些大规模的城市给水处理之中。例如在1998~1999年间，芬兰赫尔辛基市（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitkäkoski给水厂分别进行了改建，增加了紫外线消毒系统，总处理能力约为12,000 m³/h[13]；加拿大埃德蒙顿市（Edmonton）EL Smith 给水厂在2002年左右也安装了紫外线消毒设施，日处理能力为15,000 m³/h[14]。

3．紫外线消毒技术的应用现状
3.1 紫外线消毒系统的经济指标及处理效果
　　经过近100多年的发展，紫外线消毒系统设备（包括紫外灯、镇流器、紫外感应器、灯管清洗装置及反应器控制系统等）的生产技术有了很大的提高。这大大的降低了紫外线消毒系统的运行费用，提高了其运行的稳定性，为紫外线消毒技术的广泛应用提供了前提条件。根据Malley的研究，每1m³/d设计处理能力的紫外线消毒系统建设费用约为10~20美元，每处理1立方米进水的日常运行维护费用约为0.002~0.007美元；低压紫外灯消毒系统适用于小型给水处理设施，中压紫外灯消毒系统对于处理能力高于8,000 m³/d的给水处理设施更适合[15]。对于不同规模的紫外灯给水消毒系统，其建设费用和运行管理费用的构成比例是不同的。由表1可以看出，日处理能力越大的系统，紫外灯系统设备费在建设费用中所占的比例越小，而电费在运行管理费用中的比例却越大[16]。与其他类似水处理技术相比较，紫外线消毒具有投资较少、操作简单、占地面积小、处理效果较好等优点。表2简单比较了紫外线、臭氧以及膜三种水处理技术的运行费用及处理效果。

表 1：不同规模紫外线消毒系统建设、运行费用比较^*

紫外灯给水消毒系统处理能力

费用构成

1,026 m³/d

64,600 m³/d

798,000 m³/d

各项建设费用所占比例（%）

紫外灯系统设备

75

45

38

土建工程

18

20

22

电费

7

14

16

各项运行管理费用所占比例（%）

电费

9

44

53

人工费

7

5

4

配件

84

51

43

*表1中数据的估算是根据2001年AWWA发布的费用预算标准计算的。

表2: 紫外线等三种给水处理技术的综合对比（1,600 m³/h）^*

紫外线（UV）

臭氧（O₃）

膜处理

建设费用（$000）

350

1550

5000

运行费用（$/m³）

0.0025~0.005

0.0025~0.02

0.08

处理效果

较好

较好

一般

改进及升级性能

容易

较难

较难

消毒副产物

尚未发现

溴酸盐、AOC等

无

占地面积

较小

较大

较大

修理维护

较低

中等

中等

对水环境的影响

较低

中等

较低

*表2中的数据根据作者与James R. Bolton教授交流所得。

　　另外，近年来对紫外线消毒性能的大量研究表明紫外线对水中一些顽固的有害微生物，如隐性孢子菌（Cryptosporidium）、蓝氏贾地鞭毛虫（Giardia lamblia）、军团菌（Legionella pneumophila）、沙门氏菌（Salmonella spp.）等，具有良好的灭活效果（如图1所示）[2，4，17，18，19]；另外还可以将水中的一些难分解有机污染物，如腐殖酸、MTBE、TCE、NDMA以及TNT等，氧化分解为简单产物水、二氧化碳等[20，21，22，23]。

图 1：各类病原微生物灭活率为4 log所需的紫外通量[②]（mJ/cm²）

3.2 各国对紫外线给水消毒处理的规定及应用
　　紫外线消毒技术的这些优点彻底改变了以前人们对其的看法，成为备受世界各国广泛关注的一种给水消毒技术。下面就简单列举一些国家或地区目前应用紫外线给水消毒技术的情况及有关规定。
　　美国
　　如上文所述，为了提高生活用水安全，减少水中有害微生物及消毒副产物，美国在2002年颁布了增强地表水处理条例草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，简称“LT2ESWTR”）以及消毒剂及消毒副产物条例草案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，简称“Stage 2 D/DBPR”）。LT2ESWTR适用于所有受地表水直接影响的地表或地下水源公共给水系统（Public Water Systems）。从表3中可以看出，LT2ESWTR是建立在SWTR、IESWTR以及LT1ESWTR的基础之上的，并且主要是针对隐性孢子菌的污染[7]。同时，为了保证紫外线消毒系统的处理效果，USEPA针对Giardia、Cryptosporidium和病毒的去除效率规定了消毒系统中应达到的最小紫外线通量的要求，如表4所示[7]。

：美国关于给水消毒中微生物及消毒副产物的有关规定比较

有关地表水最低处理要求的条例

条例名称

贾地鞭毛虫（Giardia）

病毒

隐性孢子菌（Cryptosporidium）

SWTR

去除 3 log

去除 4 log

没有提及

IESWTR和LT1ESWTR

同上

同上

去除 2 log

LT2ESWTR

同上

同上

额外去除0~2.5 log¹

去除2~3 log²

有关消毒副产物的条例（基于RAA³的MCL⁴）

条例名称

TTHM，ug/L

HAA5，ug/L

溴酸盐，ug/L

次氯酸盐，ug/L

Stage 1 DBPR

80 as RAA

60 as RAA

10

1000

Stage 2A DBPR⁶

120 as LRAA⁵

100 as LRAA

同上

同上

Stage 2B DBPR⁶

80 as LRAA

60 as LRAA

同上

同上

　 1．对于过滤系统，在满足IESWTR和LT1ESWTR的基础上，需额外达到的去除率；
　 2．对于非过滤系统，至少需达到的去除率；
　 3．运行年度均值（Running Annual Averages）；
　 4．消毒副产物最高允许的浓度水平（Maximum Contaminant Levels）；
　 5．个别监测点运行年均值（Locational Running Annual Averages）；
　 6．Stage 2分Stage 2A和2B两个阶段实施；Stage 2实施时，Stage 1的条件也必须同时满足。

表 4：消毒系统中所需达到的输出紫外通量（mJ/cm²）^*

病原微生物的去除率（log）

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Cryptosporidium

1.6

2.5

3.9

5.8

8.5

12

Giardia

1.5

2.1

3.0

5.2

7.7

11

病毒

39

58

79

100

121

143

163

186

*表中数据在应用时，必须考虑紫外灯的状态、进水流量、紫外辐射度以及进水特性等条件。

　　Stage 2 D/DBPR主要针对那些应用化学药剂消毒的或者水中含有残留消毒剂的地表或地下水源公有给水系统（community water systems）或永久性私有给水系统（nontransient noncommunity water systems），分Stage 2A和2B两个阶段实施。如表3所示，Stage 1只是规定了在每个运行年度各监测点消毒副产物的总平均值最高浓度标准，也就是说允许个别监测点处的消毒副产物浓度高于规定值。但是对于Stage 2来说，它不仅要求每个运行年度总的消毒副产物浓度水平不得超过Stage 1所规定的最高值，而且还限制了各个监测点处的副产物浓度的最高值水平。由于紫外线消毒过程中，并不需要向水中加入任何化学药剂，因此不存在出水中含有残留消毒剂的问题。另外，在目前的大量研究中，还没有发现紫外线消毒过程可以产生有害的消毒副产物。因此，Stage 2对消毒副产物及残留消毒剂浓度严格的要求，使得紫外线消毒技术在美国成为备受关注的一种给水处理技术，并且已有多家水处理厂（>800家）改扩建或新建了紫外线消毒系统。特别是近5年来，紫外线消毒技术正逐渐开始应用于一些大型的给水处理厂。据2000年美国环境保护署的一项调查报告，美国正在建设几个大型的紫外线给水消毒系统[24]。另外，在美国紫外线消毒技术还被广泛的应用于污水厂二级处理出水的消毒。

　　欧洲
　　在欧洲，紫外线在给水消毒中的应用具有较长的历史，因此经验比较丰富。在1996~1997年间，奥地利和德国分别颁布了关于紫外线给水消毒的有关规定（奥地利：ÖNorm M5873；德国：DVGW Standard W 294）。它们都规定了紫外线给水消毒系统的一些特点，并给出了关于消毒系统运行测试和检测的程序和方法。与此同时，在维也纳（Vienna）和波恩（Bonn）分别建立了设计处理能力为400和3,000m³/h的紫外线给水消毒系统处理效果的测试基地，在这些试验基地可以进行不同操作条件下的生物剂量试验（Biodosimetry）[9，25]。根据规定（ÖNorm M5873 和 DVGW Standard W 294），给水厂紫外线消毒系统的测试和鉴定工作须在这些测试基地完成。总的来看，欧洲各国对紫外线消毒的一些规定比较类似。下面以DVGW Standard W 294为例简单介绍一下这些规定的内容。
　　DVGW Standard W 294针对紫外线给水消毒系统主要做了以下几方面内容的规定：

• 支持材料：主要包括关于紫外灯、灯罩和紫外感应器的详细材料以及紫外消毒系统的装配安装、操作运行、反应器清洗的程序和方法等。例如，材料中必须说明紫外灯的类型、操作电源及输出的紫外波普；如果是采用多波长的紫外灯，其紫外光波长必须大部分集中在240~290 nm的范围内；对于灯罩，必须得指出灯罩的材料、尺寸及紫外透射波普等；而对于紫外感应器，应说明其适用波长区间、测量范围、测量误差、影响因素、重新校正的要求及周期等。
• 紫外感应器：紫外感应器的尺寸大小、性能特点、感应器探测孔以及石英窗等都必须符合规定标准。每个紫外线消毒反应器必须至少安装一个在线紫外感应器，能够实时监测反应器中紫外灯的输出功率，同时还需要另外一个紫外感应器作为参照来验证在线感应器的输出值。如果发现它们输出值之间的误差超出允许范围，那么在线紫外感应器可能需要清洗、校正或者更换。每隔15个月，这些紫外感应器需要重新测试和校正一次。另外，感应器与被检测紫外灯之间的距离必须满足以下条件：感应器对紫外灯输出功率的改变的敏感度与对进水紫外透射度（UVT）的敏感度基本一致。
• 操作控制：要求必须连续不间断地对进水流量、紫外感应器输出结果以及相应的输出紫外通量进行监测。反应器中的输出紫外通量必须要高于为保证给水消毒安全由生物剂量试验得出的最低紫外通量。另外，还应有突发事件（如，灯管破裂或输出紫外通量低于安全值等）的安全保护措施及报警机制等。
• 消毒效果测试（生物剂量试验）：DVGW Standard W 294 规定紫外线消毒的最小输出紫外通量为40 mJ/cm²，由生物剂量试验法测定反应器的输出紫外通量，并选定Bacillus Subtilis 孢子作为实验过程中的目标微生物。最小输出紫外通量可以通过降低紫外灯功率（降低约30%）或者增加进水对紫外线的吸光度（增加约20%）来确定。另外，试验方法、设备规格以及试验条件等都作了具体的规定。根据该规定，紫外线消毒效果测试系统如图2所示。

图 2：紫外线消毒效果测试系统示意图

　　据不完全统计，目前欧洲至少有2000多套紫外线消毒系统被用于城市给水消毒，大部分的处理能力都不超过1000m³/h，但是近年来也有一些大型的紫外线给水消毒系统开始投入建设和使用。总的来看，紫外线技术在欧洲国家主要应用于城市给水、桶/瓶装水以及商业和景观用水等的消毒处理中，只有个别应用于污水消毒处理。

　　其他国家或地区
　　随欧洲和美国之后，加拿大、澳大利亚、新西兰、新加坡、日本以及台湾等国家和地区也纷纷展开了对紫外线消毒技术的研究和应用。目前，加拿大安大略省（Ontario）及魁北克省（Quebec）正在制定新的城市给水处理标准。这些新的标准参考了美国LT2ESWTR及德国DVGW Standard W 294的相关内容，对紫外线消毒系统的设计安装、运行测试、管理维护等方面都作了详细规定[26]。2000年新西兰颁布了其最新版的生活应用水标准（New Zealand Drinking Water Standards），加强了对水中Cryptosporidium和Giardia的去除率的要求，使得紫外消毒技术得到了进一步的重视。在新西兰，大部分（约90%）的紫外线给水消毒设施用于服务人口为1000~1500人左右的城镇小型给水处理厂[27]。2004年澳大利亚颁布的最新国家饮用水指导方针（Australian Drinking Water Guidelines）中也对紫外线给水消毒技术与其他同类处理技术（氯、氯胺、二氧化氯、臭氧消毒等）进行了分析对比（如表5所示），认为紫外线是比较适合中小规模城市给水处理的一种消毒技术[28]。

表 5：几种常用消毒技术的综合比较

消毒处理技术

细菌

病毒

原生动物

综合效果

消毒副产物

氯消毒

较好

较好

一般

好

THMs/HAAs

氯胺

一般

差

较差

差

较少

二氧化氯

较好

较好

一般

好

亚硝酸盐

臭氧

较好

较好

较好

较好

溴酸盐

紫外线

较好

一般

好

好

尚未发现

4．目前存在的问题
　　紫外线给水消毒技术的最大缺点就是出水中没有残余消毒能力。也就是说，紫外线消毒对出水受到的二次污染或者出水中的微生物通过自我修复机制对被紫外线破环的DNA或RNA进行修复等无能为力。目前在紫外线给水消毒中，常采用的方法是在紫外线消毒流程之后再加入适量氯胺等消毒剂以保持给水管网中的残余消毒量。紫外线消毒对进水水质要求较高，如果进水水质差的话，不仅消毒效果将受到重大威胁，而且紫外灯系统的工作周期和寿命也要受到影响，可能会出现消毒不完全或紫外灯（灯罩）结垢、破裂等问题。由于目前给水消毒中应用的主要是水银紫外灯，因此如果灯管破裂水银外漏，也可能会对给水安全造成威胁。对消毒反应器中的输出紫外通量的检测也是一个影响紫外线给水消毒的重要问题。从上文中各国的规定可以看到，目前主要采用生物计量法来检测反应器中的输出紫外通量，然而这样的实验操作复杂并且需要较长的时间才能得到结果，不能及时发现存在的问题，更不能实现在线实时监控。另外，目前还没有一个系统全面的关于紫外线给水消毒方面的设计规范和标准。

5．参考文献

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[①] 即inactivation，使微生物失去活性或繁殖能力，不等于全部杀死这些微生物。

[②] 即UV fluence，是指所有被目标微生物所吸收的紫外线的量，与紫外线剂量（UV dose）有本质区别。