1．引言

在城鎮給水處理中，通常采用投加化（huà）學藥劑（例如Cl2, ClO2, 或者O3等）的消毒方法。近些年來，研究人員發現在這（zhè）些傳統的化學（xué）藥劑消毒過（guò）程中，會產生一些（xiē）有害的消毒副產物（DBPs），如THM，HAA，以及 HBr 等。由於紫外線（xiàn）消毒不需要往水中投加（jiā）任何化學物質（zhì），並且（qiě）可以滅活一些傳統化學藥劑不能殺死的有害微（wēi）生物，如隱性孢子菌（jun1）（cryptosporidium ）和藍氏賈地鞭毛蟲（chóng）（Giardia lamblia）等[1，2，3，4]，因此紫外線消毒受到了特別（bié）的重視（shì）。目前在北美和（hé）歐洲，紫外線消毒技術及其應用是一個十分活躍的（de）研究（jiū）領域，並且有越 來越多的（de）城鎮給水廠采用了紫外線消毒措（cuò）施。本（běn）文擬對（duì）紫外線消毒技術在給水處理中應用的發展曆史及應用現狀作一簡單介紹。

2．紫（zǐ）外線消毒的（de）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理和應用的研究。早（zǎo）在1877年，Downs 和 Blunt 第一次報（bào）道了關於太陽光輻射可以殺滅培養基中（zhōng）細菌的特性，這也揭（jiē）開了人們對紫外（wài）線消毒研究和應（yīng）用的序幕[5]。但是，早期的研究和應用在很大程度上受到了（le） 紫外線消毒硬件設施生產（chǎn）技術的局限（xiàn），這（zhè）主要體現（xiàn）在紫（zǐ）外燈、鎮流器（qì）、紫外感應器（UV sensor）等生產技術領域。下麵對紫外線消毒技（jì）術發展過程中有重要意義的發明、發現和應（yīng）用作一簡單回顧。
1901年，汞燈開始被用作（zuò）人（rén）造 紫外光源；1903年，Bernard 和 Morgan 發現（xiàn）了對生（shēng）物最敏感的紫外光主要集中在波（bō）長（zhǎng）250 nm 左右的區域內，Bang在1905年也報道了同（tóng）樣的現象（xiàng）[5]。1904年，Kuch 造（zào）出了（le）第一個石英紫外燈[6]。1906年，石英開始大量被用（yòng）於（yú）紫（zǐ）外燈生（shēng）產和研究（jiū）領域；1910年，在法（fǎ）國馬賽（sài）市（Marseilles），紫外（wài）線消毒係 統第一次（cì）被用於城市給水處理的生產實踐中，日處理能力為200 m3/d；之後（約1911年），轎車托運法國裏昂市（Rouen）一個地下水源水廠也采用了紫外線消（xiāo）毒[7]。1916年，美國建設了（le）第一個紫外線消毒係統，用 於肯塔基州亨德森市（Henderson）12,000居（jū）民的生活用水消毒；然後在隨後的（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（é）亥俄州匹（pǐ）茲堡市（Perrysburg）等地也陸續采用了紫外線消毒技術[6]。1929 年，Gates 對紫外線消毒的機理做了深入地研究，並第一次確立了細菌的滅活[①]與核酸對紫外線的吸收之間的聯（lián）係[7]。從1887年到1930年可以劃為紫外線（xiàn）給水 消毒發展的（de）第一（yī）個階段，在（zài）這個階段，紫（zǐ）外線消毒係統的生（shēng）產技（jì）術有了初（chū）步的發展，人（rén）們對消毒機理有了基（jī）本的認識，同時紫外線消毒技術已（yǐ）經開始被應用於（yú）生（shēng）產實 踐（jiàn）。
20世（shì）紀30年代中後期，紫外線消毒的研究和應用出現了一次低穀，這主要是由於紫外燈的壽命、設備的操作和維護以及消毒處理效率和成本等 問題造成的。在此期間，大部（bù）分水（shuǐ）廠都采用（yòng）了技術相對成熟、操（cāo）作（zuò）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（qì）體放電管（guǎn）狀紫外燈（簡稱“熒（yíng）光燈”），至此紫外（wài）燈（dēng）的壽命和輸出功率得到（dào）了逐步的提高。20世紀40年代（dài），紫外燈及鎮流器的生產技術 得（dé）到了進一步的提高，這為以後紫外線消毒技術的（de）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（yǐ）及在紫外 燈及相關設備生產技術的不斷提（tí）高，紫外線（xiàn）消毒技術的研究和應用又（yòu）得到了全麵的重視。特別是在歐（ōu）洲，紫外線消毒技術再次被廣泛應用於城鎮給水處（chù）理之（zhī）中。 1955年，瑞士（shì）和奧地利開始采用紫（zǐ）外線給水消（xiāo）毒技術，到了1985年這兩個國家分別大約有500和600個紫外線消毒設施已經投入（rù）使用[7]。另外，比 利時、挪威和荷蘭也分別在1957年、1975年和1980年開始在城市給水中投入使用紫外線消毒技術（值得一提（tí）的（de）是，比利時（shí）1957年建設的紫外線消毒 係統至今仍然在運轉（zhuǎn））。到1996年為（wéi）止，歐洲（zhōu）大約（yuē）有2,000多個飲（yǐn）用水處理設施采用（yòng）了（le）紫外線消毒係統[7，9]。雖然紫外線給水消毒技術在歐洲已經得 到（dào）了（le）較為（wéi）廣泛的應用，但是在1989年美國環境保護（hù）署（US Environmental Protection Agency，簡稱（chēng）“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效滅活水中藍氏賈第鞭毛蟲（Giardia lamblia）、隱性孢（bāo）子菌（jun1）（Cryptosporidium parvum）等水中有害病（bìng）原菌，因此在美國仍然沒有（yǒu）得到重視。從1990年，美國水工（gōng）業協會（AWWA）以及美國水工業研究基（jī）金會（AWWARF）才開（kāi） 始投入大量資金對紫外線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年代中（zhōng）期）可以看作是紫外線給水消毒（dú）發展的第二（èr）個階段。在該階 段，紫（zǐ）外（wài）線給水消（xiāo）毒技術又（yòu）重新被重視起（qǐ）來，並且在（zài）歐洲開始被廣泛應用於城市給水消毒中。另外，在該（gāi）時期紫外燈（dēng）及相關（guān）係統設備生產技術得到了很大的提高，大 量企業開始涉足（zú）於紫外線消毒（dú）係統的生產（chǎn）、安裝以及配套（tào）服務的商業活動中。
1998~2000年期間，大量的研究發現紫外線消（xiāo）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（de）地下水消毒條例 （Groundwater Disinfection Rule, 簡（jiǎn）稱“GWDR”）正式提到，對於殺活傳統消毒方法不能有效控製的有（yǒu）害病原微生物（wù），紫外線消毒技術是******選擇（zé）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（jìn）一步促進了紫外線在各領域中應用技術的研究和交流。2002年（nián），USEPA頒布的增強地表水 處理（lǐ）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（tiáo）例（lì）草案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡稱“Stage 2 D/DBPR”）中，紫外線消（xiāo）毒技術被（bèi）給（gěi）予了特別的重視，被認為是取代傳統消毒技術的最重要、最有效和（hé）最可行的消毒技術之（zhī）一。另外在20世紀90年代末， 歐洲（zhōu）各國也頒布了一些（xiē）有關紫（zǐ）外（wài）線給水消毒的規定和標準。從1998年開始，對紫外線消毒的重大發現（xiàn）以及IUVA的（de）成立標誌著紫外線給水消毒的應用和研究又（yòu） 進入了一個新的階段。
從上麵的發展過程可以看出，雖然早在100多年前（qián）人們就開始了對紫外線（xiàn）消毒技術的研（yán）究和應用，但是真正的重（chóng）視和廣泛的應 用的時間卻（què）並不（bú）長。在1998年以前，世界上紫外線消毒（dú）技術在城市給水處理中的應（yīng）用主要集中在（zài）處（chù）理能力小於200 m3/h的中小型水廠。1998年（nián）以後，由於在紫外線消（xiāo）毒技術領域的一些突破性研究成果的發表（biǎo），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（lì）如在1998~1999年（nián）間，芬蘭赫爾辛基市（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水廠分別進行了改（gǎi）建，增加 了紫外線消毒係統，總處理能力約為12,000 m3/h[13]；加（jiā）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（néng）力為15,000 m3/h[14]。

3．紫（zǐ）外線消毒技術的應用現狀

3.1 紫外線消毒係（xì）統的經濟指（zhǐ）標及處理效果
　　經 過近100多（duō）年的發展，紫（zǐ）外線消毒係統設備（包（bāo）括紫外燈、鎮流器、紫外感應器、燈管（guǎn）清洗裝置及反應器控製係統等）的生產技術有了很大的提高（gāo）。這大大的降低 了紫外線消毒係統的運行費（fèi）用，提高了其運行的穩定性（xìng），為紫外線消毒技（jì）術的廣泛應用提供了前提條件。根據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（lì）方米進水的日（rì）常運行（háng）維護費用約為0.002~0.007美元；低壓紫外燈消毒係統（tǒng）適（shì）用於小型給水處（chù）理 設施，中壓紫外（wài）燈消毒係統對於處理能（néng）力高於8,000 m3/d的給水處理設施更適合[15]。對於（yú）不同規（guī）模的紫外燈給水消毒（dú）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（yǐ）看出（chū），日處理能力越 大的係統，紫外燈係統設備費在建設費用中（zhōng）所占的比例（lì）越小（xiǎo），而電費在運行管理費用中的比例卻越大[16]。與其他類（lèi）似水處理技術相比較，紫外（wài）線消毒具有投資 較少、操作簡單（dān）、占地麵積小、處理效果較好（hǎo）等優點。
另外（wài），近年來對紫外線消（xiāo）毒性（xìng）能的大量研究表明紫外線對水中一些頑固（gù）的有害微生物，如隱性孢 子菌（Cryptosporidium）、藍氏賈地（dì）鞭毛蟲（Giardia lamblia）、軍團菌（Legionella pneumophila）、沙門氏菌（jun1）（Salmonella spp.）等，具有良好的滅活（huó）效果 [2，4，17，18，19]；另外（wài）還可以將水中的一些難（nán）分解有機汙染（rǎn）物，如腐殖（zhí）酸、MTBE、TCE、NDMA以及TNT等，氧化分解為簡（jiǎn）單產物水、二 氧化碳等（děng）[20，21，22，23]。

3.2 各國對紫外線給水消毒處理的規定（dìng）及應（yīng）用
紫（zǐ）外線消毒技術的這些優點徹底改變了以前人們（men）對其的看法，成為（wéi）備受世界各國廣泛關注（zhù）的一種給水消毒技術。下麵就簡單列（liè）舉一些國家或（huò）地區目前應用紫外線給（gěi）水消毒技術的情況及有關規定（dìng）。
美國
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（xiāo）毒副產物，美國在2002年頒布了增強（qiáng）地表（biǎo）水處理條例草（cǎo）案（àn）（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（shì）用（yòng）於所有受地表水直接影響的（de）地表或地下水源公共給水（shuǐ）係統（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和病毒的去除效（xiào）率規定（dìng）了消（xiāo）毒 係（xì）統中應達到的最小紫外線通量的要求。
1．對於過濾係統，在滿足IESWTR和LT1ESWTR的（de）基礎上，需額外達到的去除率；
2．對於非過（guò）濾係統，至少需達到的去除率；
3．運行年（nián）度均值（Running Annual Averages）；
4．消毒副產物最高允許的濃度水平（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（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（yǒu）給水係統（nontransient noncommunity water systems），分Stage 2A和2B兩個階段實施。Stage 1隻是（shì）規（guī）定了在每個運（yùn）行年（nián）度各監（jiān）測點消毒副（fù）產物的總平均值最高濃度標準，也（yě）就是說允許（xǔ）個別監測點處（chù）的消毒副產物濃度高於規定值。但是對於Stage 2來說，它不僅（jǐn）要求每個運行年度（dù）總的消毒（dú）副產物濃（nóng）度水平（píng）不得超過Stage 1所（suǒ）規定的最高值，而且還限製了各個監測點（diǎn）處的副產物（wù）濃度的最高值水平。由於紫外線消毒過程中，並不需要向水中加入任何化（huà）學藥劑，因此不存在出（chū）水中（zhōng）含有殘（cán） 留消毒劑的問題（tí）。另外，在目前的大量研究中，還（hái）沒有發現紫外線消毒（dú）過程（chéng）可以產生有害的消毒副產（chǎn）物。因此，Stage 2對消毒副產物（wù）及殘（cán）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關注（zhù）的一種（zhǒng）給水處（chù）理技術，並且已有多家水處理廠（>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年美國環（huán）境保護署的一項調（diào）查報告，美國正在建 設幾個（gè）大型的紫外線給水（shuǐ）消毒係統[24]。另外，在美國紫外線消毒（dú）技術還被廣泛的應用（yòng）於（yú）汙水廠（chǎng）二級處理出水的消毒。
歐洲
在歐洲， 紫外線在（zài）給水消（xiāo）毒中的應用具有較長的曆史，因此經驗比較（jiào）豐富。在1996~1997年間，奧地利和德國分別頒（bān）布了關於紫外線給水消毒的有（yǒu）關規（guī）定（奧地 利：ÖNorm M5873；德國：DVGW Standard W 294）。它們都規定了紫外線（xiàn）給水消毒係統的一些特點，並給出（chū）了關於消毒係統運行測試和檢測的程序和方法。與此同時，在維也納（Vienna）和波恩 （Bonn）分別建立了設計處（chù）理能力為400和3,000m3/h的（de）紫外線給（gěi）水消毒（dú）係統處（chù）理效果的測試基地，在這些試驗基地可以進（jìn）行不同操（cāo）作條件（jiàn）下的生物 劑量試驗（yàn）（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作須在（zài）這些測試（shì）基地完成（chéng）。總的來看，歐洲（zhōu）各國對紫外線消毒的一些規定比（bǐ）較類似。下麵以（yǐ）DVGW Standard W 294為例簡單介紹一下這（zhè）些規定的內容。
DVGW Standard W 294針對紫外線給水消毒係（xì）統（tǒng）主要做了以（yǐ）下幾方麵內容的規定：
支 持材料：主要包括關於紫外（wài）燈、燈罩和紫外感應器的詳（xiáng）細（xì）材料以及紫外消毒係統的裝（zhuāng）配安裝、操（cāo）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（wài）燈 的類型、操作電（diàn）源及輸出的紫外波普；如果是采用多波長的紫外燈，其紫外光波長（zhǎng）必須大部分集中在240~290 nm的範圍內；對於燈罩（zhào），必須得指出燈罩的材料、尺寸及紫外透射波普等；而（ér）對於紫外感應器，應說明其適用波長區間、測量範圍、測量誤差、影響因素、重新校 正的要求及周期等。
紫外感應器：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必須符合（hé）規定標準。每個紫外線消毒反應（yīng）器必須至少 安裝一個在線（xiàn）紫外感應器，能（néng）夠實時監測反（fǎn）應器中紫外燈的輸出（chū）功率，同時還需要另（lìng）外一個紫外（wài）感應器作為（wéi）參照來驗證在線感應器的（de）輸出值。如果發（fā）現它們輸出值之 間的誤差超出允許範圍，那（nà）麽在線紫外感（gǎn）應器可能需要（yào）清洗、校正（zhèng）或者更換。每隔15個月（yuè），這些紫外感應器需要（yào）重新（xīn）測試和校正一次。另外，感應器與被檢測紫外 燈之間的距（jù）離（lí）必須滿足以下條件（jiàn）：感應器對紫（zǐ）外燈（dēng）輸出功率的改（gǎi）變的敏感度與對進水紫外透射度（UVT）的敏（mǐn）感度基本一致。
操作控製：要求必須連續（xù） 不間斷地對進水流量（liàng）、紫外感應器輸出結果以（yǐ）及相應的輸出紫外通量進行監測。反應器中的輸出（chū）紫外通量（liàng）必須要高於為保證給水消毒（dú）安全由生物劑量試驗得出的最（zuì）低 紫外通量。另外，還應有突發事件（如，燈管破裂或輸出紫（zǐ）外通量低於安全值等）的安全保護措（cuò）施（shī）及報警機製等。
消毒效果測試（生物劑（jì）量試 驗）：DVGW Standard W 294 規定紫外線消（xiāo）毒（dú）的最（zuì）小輸出紫外通量為40 mJ/cm2，由生物劑量試驗法（fǎ）測定反應器的輸（shū）出紫外通量，並選定（dìng）Bacillus Subtilis 孢（bāo）子作為（wéi）實驗過程中的（de）目標微生物。最小輸出紫外通量可以通過（guò）降低紫外燈功率（降低約30%）或者增加進水對紫外線的吸光度（增加約20%）來確定。另外， 試驗方法、設備規格以及試驗條件等都（dōu）作了具（jù）體的規定。
據不完全統計，目前（qián）歐洲至少有2000多套紫外線消（xiāo）毒係（xì）統被用於城市給水消毒，大部分的 處（chù）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（jì）術在歐洲國家主（zhǔ）要應用於城市給（gěi） 水、桶/瓶裝水以（yǐ）及（jí）商業和景觀用（yòng）水等的消毒處理中，隻有個別應用於（yú）汙水消毒處理。
其他（tā）國（guó）家或地區（qū）
隨歐洲和（hé）美國之後，加拿（ná）大、澳大 利亞、新西蘭、新加坡、日本以及（jí）台灣等國家和地區也紛（fēn）紛展開了（le）對紫外線消毒（dú）技術的研究和應（yīng）用。目前，加拿（ná）大安大（dà）略省（Ontario）及魁（kuí）北（běi）克省 （Quebec）正在製定新的城市給水（shuǐ）處理標（biāo）準（zhǔn）。這些新的標準參考了美（měi）國LT2ESWTR及德國（guó）DVGW Standard W 294的相關內容，對紫外線消毒係統的（de）設計安裝、運行測試、管（guǎn）理維護等方麵都作了詳細（xì）規定[26]。2000年新西蘭頒布了其最新版的（de）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（dé）紫外消毒技術得到了進一（yī）步的重視。在新西蘭，大 部（bù）分（約90%）的紫外線給（gěi）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（shuǐ）消毒（dú）技術與其他同類處理技（jì）術（氯、氯胺、二氧化氯、臭氧消毒等）進行了分析對（duì）比（如表5所示），認為紫外線是比較 適合中小規模城市給水處理的（de）一種消毒技術[28]。

4．目前存在的問題

紫外線給水消（xiāo）毒技術的******缺點就是（shì）出（chū）水中沒有殘餘消毒（dú）能力。也就是（shì）說，紫外線消毒對出水受到的二（èr）次汙 染（rǎn）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DNA或RNA進行修複等無能為力。目前在紫外線給水（shuǐ）消毒中（zhōng），常采用的方法是在紫外（wài）線消毒流程之後 再加入適量（liàng）氯（lǜ）胺等消毒劑以保持給（gěi）水管網中（zhōng）的殘餘消毒量。紫外線消毒對進水水質要求較高，如果進水水質差的話，不僅消毒效果將受到重大威脅，而且紫外燈係統 的工作周期和壽命也要受到影響，可能會出現消毒（dú）不完全或紫外燈（燈罩）結（jié）垢、破（pò）裂等問題。由於目前給水消毒中應用的主要是水銀紫外燈，因此如果燈管破裂水 銀外漏，也可能會對給水安（ān）全造成威脅。對消毒（dú）反（fǎn）應器中的（de）輸出紫外通量的檢測也是一個影響紫外線給水消毒的重（chóng）要問題（tí）。從上文中各國的規定可以看到，目前主要 采用生物計量法來檢測（cè）反應器中的輸出紫外通量，然而這樣的實驗操作複（fù）雜並（bìng）且需要較（jiào）長的時（shí）間才能（néng）得到結（jié）果，不能及時（shí）發現存在的問題，更不能實現在線實時監 控。另外，目前還沒有一個係統全麵的關於紫外線（xiàn）給水消毒方麵的設計規範和標準。