1．引（yǐn）言

在城鎮給水處理中，通常采用投（tóu）加化學藥劑（例如（rú）Cl2, ClO2, 或者O3等）的消毒方法。近些年來，研究人員發現在這些傳（chuán）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 HBr 等。由於紫（zǐ）外線消毒不需要往水中投加任何化（huà）學物質，並且可以滅（miè）活（huó）一些傳（chuán）統（tǒng）化學（xué）藥劑不能殺死的有害微生（shēng）物，如隱性（xìng）孢子菌（cryptosporidium ）和（hé）藍氏賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）等（děng）[1，2，3，4]，因此紫（zǐ）外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（yòng）是一個十分活（huó）躍的研究領域，並（bìng）且有越 來越多的城鎮（zhèn）給水廠采用了紫外線消毒措施。本文（wén）擬對（duì）紫外線消毒技（jì）術在給水處理中應用的發展（zhǎn）曆史及應用現（xiàn）狀作一（yī）簡單介紹。

2．紫外（wài）線（xiàn）消毒的發展曆（lì）史

大約（yuē）在1個多世紀（jì）以前，人們就開始了對（duì）紫外線消毒機理和應用的研究。早在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細菌（jun1）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，早期的研究和應用在很大程度上受到了 紫外線消毒硬件（jiàn）設施生產技術的局限（xiàn），這主要體現在（zài）紫（zǐ）外燈、鎮流器、紫外感（gǎn）應（yīng）器（UV sensor）等生產技術領域。下（xià）麵對紫外線消毒技術發展過程中有重要意義的發（fā）明、發現和應用作一簡單回顧。
1901年，汞燈開始被用作人造 紫外光源；1903年，Bernard 和 Morgan 發現了對生物最敏感的紫外光主要集中在波長250 nm 左右的（de）區（qū）域內，Bang在1905年也報道了同樣的現象[5]。1904年，Kuch 造出（chū）了第一個石英紫外燈[6]。1906年，石英開始大量被用於紫外燈生產和研究領域；1910年，在法國（guó）馬賽市（Marseilles），紫外線消毒（dú）係 統（tǒng）第（dì）一次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（lǐ）昂市（Rouen）一個地下水源（yuán）水廠也（yě）采用了紫外線消毒（dú）[7]。1916年，美國建設了第一個紫外（wài）線消毒係統，用 於肯（kěn）塔基（jī）州亨德（dé）森市（shì）（Henderson）12,000居民的生活用水消毒；然後在隨後的幾年內（1923~1928年），在俄亥俄州（zhōu）伯利（lì）亞（yà）市 （Berea）、肯薩斯州（zhōu）霍（huò）爾頓市（Horton）、俄亥俄州匹茲堡市（Perrysburg）等地也（yě）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（zuò）了深入地研究，並第一次確立了細菌的滅活（huó）[①]與核酸對紫外線的吸收之間的聯係[7]。從1887年到1930年（nián）可以劃為紫外線給（gěi）水 消毒發展的第一個（gè）階段，在這個階段，紫外線消毒係統的生產技術有了初步的發展，人們對消毒機理有了基本（běn）的認（rèn）識，同時紫（zǐ）外線消毒技術已（yǐ）經開始被應用於生產實 踐。
20世紀30年代中後期，紫外線消毒的研究和應用出現了一次低（dī）穀（gǔ），這主要是由於紫外（wài）燈的壽命（mìng）、設備（bèi）的操作（zuò）和維護以及消毒處理效率和成本等 問題造成的。在此（cǐ）期間，大部分水廠都采用了技術相對成（chéng）熟、操作（zuò）簡單、效益較好的氯消毒取代了（le）紫外（wài）線消毒。1938年，美國Westinghouse Electric 公司展出（chū）了第一個熒光氣體放電管狀紫外燈（dēng）（簡稱“熒光燈（dēng）”），至此紫外燈的壽命和輸出功率得到了逐步的提高（gāo）。20世紀40年代，紫外燈及鎮流器的生產技術（shù） 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（hé）推廣奠定了基礎（chǔ）[8]。
20世紀50年代，由於一些化學藥（yào）劑消毒（dú）副（fù）產物的發（fā）現以及在紫外 燈及相關設備生產技術的不（bú）斷提（tí）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，紫外線消毒技術再次被（bèi）廣泛應用於（yú）城（chéng）鎮給水處理之中。 1955年，瑞士和奧（ào）地利開始采用紫外線給（gěi）水消毒技術，到了（le）1985年這兩個國家分別大約有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年開始在城市給水中投入使用紫外線消毒技術（值得（dé）一提的是，比利時（shí）1957年建設的紫外（wài）線消毒（dú） 係統至（zhì）今仍然（rán）在（zài）運轉）。到1996年為止，歐洲（zhōu）大約有2,000多個（gè）飲用水（shuǐ）處理設施采用了紫外線消毒係統[7，9]。雖然紫外線給水消毒技（jì）術在歐洲已經得（dé） 到了較為廣泛的應用，但是在1989年美國環境保護署（shǔ）（US Environmental Protection Agency，簡稱“USEPA”）頒布的地表水處理條例（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（xiào）滅活（huó）水（shuǐ）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，因此在美國仍然沒有得到重視。從1990年，美國水工業協（xié）會（AWWA）以及美國水工業研究基金會（AWWARF）才開 始投入大量資金（jīn）對紫外線消毒技術展開全麵係統的研究。這段時期（qī）（從20世紀50年（nián）代初到90年代中（zhōng）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（xīn）被重視起來，並且在（zài）歐洲開始被廣泛應用於城市給水消毒中。另外，在該時期紫外燈及相關係統設備生產技術得到了很大的提高，大 量企（qǐ）業開始涉足於紫外線（xiàn）消毒係統的生產、安（ān）裝以及配套服務的商業活動中。
1998~2000年期間（jiān），大量的（de）研究發現紫外線消毒技術對 Cryptosporidium和Giardia有很好的滅（miè）活（huó）效果[1，2，10，11]。同時在2000年USEPA頒布的地（dì）下水消毒條例 （Groundwater Disinfection Rule, 簡稱（chēng）“GWDR”）正（zhèng）式提到，對於殺活傳統消毒方法不能有效控（kòng）製的（de）有害病（bìng）原微生物，紫外線（xiàn）消毒技（jì）術是（shì）******選擇之一[12]。1999年，國際紫外線協會 （International Ultraviolet Association，簡稱“IUVA”）成立（lì），在國際上進一步促進了（le）紫外線在各領域中應用（yòng）技術的研究和交流。2002年，USEPA頒布的增強地表水 處理條例（lì）草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，簡稱“LT2ESWTR”）以及消毒劑及消（xiāo）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（xiāo）毒技術被給予（yǔ）了（le）特別的（de）重視，被認為（wéi）是（shì）取代傳統消（xiāo）毒技術的最重要、最有效和最可行的消毒技（jì）術之一。另外在20世紀90年代末， 歐洲各國也頒（bān）布了一（yī）些有關紫外線給水消毒的規定和標準。從1998年開始，對紫外線消毒的（de）重（chóng）大發現（xiàn）以（yǐ）及IUVA的成立標誌著紫（zǐ）外線給水消毒的（de）應用和研究又（yòu） 進入了一個新的階段。
從上麵的發（fā）展過程可以看出，雖然（rán）早在100多年（nián）前人們就開始了對紫外線消毒技術的研（yán）究和應用，但是真正的重（chóng）視和廣泛的應 用的時間卻並不長。在（zài）1998年以前，世界上紫外線消毒技術在城市（shì）給水處理中的應用主要集中在處理能力小於200 m3/h的中小型水廠。1998年以後，由（yóu）於在紫外線消毒技術領（lǐng）域的一些突破性研究成果（guǒ）的（de）發表，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（lǐ）之 中。例如在1998~1999年間，芬蘭赫爾辛基市（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水（shuǐ）廠分別進行了改建，增加 了紫外線消毒係統，總處理（lǐ）能力約為12,000 m3/h[13]；加（jiā）拿（ná）大埃德蒙（méng）頓市（Edmonton）EL Smith 給水廠在2002年（nián）左右也安裝了紫外線消毒設施，日處（chù）理能力為15,000 m3/h[14]。

3．紫（zǐ）外線消毒技（jì）術（shù）的應（yīng）用（yòng）現狀

3.1 紫外線消毒係統的經濟指標及處理效果
　　經 過近100多年的發展，紫外線消毒係（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（de）生（shēng）產技（jì）術有了很大的提高。這大大的（de）降低 了紫外線消毒係統的運行費用，提高了其運行的穩定性，為紫外線消毒（dú）技術的廣泛（fàn）應用提供了前提條件（jiàn）。根據Malley的研究，每1m3/d設計處理能力的（de）紫 外（wài）線消毒係統建設費用約為10~20美元，每處理1立方米進（jìn）水的日常運行維護（hù）費用約為0.002~0.007美元；低壓紫（zǐ）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（xì）統，其建設費用和運行管理費（fèi）用的構成比例是不同的。由表1可以（yǐ）看出，日處理能力（lì）越 大（dà）的係（xì）統，紫外燈係統設備費在建設（shè）費用中所占的比例越小，而電費在運行管理費用中的（de）比例卻越大[16]。與其他類似水處理（lǐ）技術相比較，紫外線消毒具有投資 較少、操作簡單、占地麵積小、處理（lǐ）效果較好等優點（diǎn）。
另外（wài），近年來對紫外線消毒性能的（de）大（dà）量研究表（biǎo）明紫外線對水中（zhōng）一些頑固（gù）的有害微生物，如隱性孢 子菌（Cryptosporidium）、藍氏（shì）賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）、軍團菌（Legionella pneumophila）、沙門氏菌（jun1）（Salmonella spp.）等，具有良好的滅活效果 [2，4，17，18，19]；另外還可以將水中的一些難分解有（yǒu）機汙染物，如腐殖酸（suān）、MTBE、TCE、NDMA以及TNT等，氧化（huà）分解為簡單產物水、二 氧化（huà）碳等[20，21，22，23]。

3.2 各（gè）國對紫外線給水消毒處理的規（guī）定及應用
紫外線消毒技術的這些優點徹底改變了以前人們對其的看法，成為備受世界（jiè）各國廣泛關注的一種給水（shuǐ）消毒技術（shù）。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（de）情況及有關規定。
美國
如（rú）上文所述，為了提高生活用水安全，減少水中有害（hài）微生物及消毒副產物，美國在2002年頒布了增（zēng）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例草案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡稱“Stage 2 D/DBPR”）。LT2ESWTR適用於所有受（shòu）地表水直接影響的地表（biǎo）或地下水源公共（gòng）給水係統（Public Water Systems）。同時，為了保證紫外線消毒係（xì）統的處理效果，USEPA針對Giardia、Cryptosporidium和病毒的去除效率規定了（le）消毒 係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的基礎上（shàng），需額外達到的去除率（lǜ）；
2．對於非過濾係統（tǒng），至少需達到的去除率；
3．運行（háng）年（nián）度均值（Running Annual Averages）；
4．消（xiāo）毒（dú）副產物最高允許的濃度水（shuǐ）平（Maximum Contaminant Levels）；
5．個別監測點運行年均值（zhí）（locationsal Running Annual Averages）；
6．Stage 2分Stage 2A和2B兩個（gè）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（yào）劑消毒的或者水中含有殘留消毒劑的地表或地（dì）下水源公有給水係（xì）統（community water systems）或永久性私有給水（shuǐ）係統（nontransient noncommunity water systems），分Stage 2A和（hé）2B兩個階段實施。Stage 1隻是規（guī）定了（le）在每個運行年度各監測點消毒副（fù）產（chǎn）物（wù）的總平均值最高濃度標準，也（yě）就是（shì）說允許個別（bié）監測點處的（de）消毒（dú）副產物（wù）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消毒副產物濃度水平不得超過Stage 1所規定的最高值，而且（qiě）還限製了（le）各（gè）個監（jiān）測點處的副產物（wù）濃度的最高值水平。由（yóu）於紫外線消毒過程中，並不需要向水中加（jiā）入任何化學藥劑，因此（cǐ）不存在出水中（zhōng）含有殘 留消毒劑的問題。另外（wài），在（zài）目前（qián）的（de）大量研究中，還（hái）沒有發現紫外（wài）線消毒過程可以產（chǎn）生（shēng）有害（hài）的消毒（dú）副產物。因此，Stage 2對消毒副產物及（jí）殘留消毒劑濃度嚴格的要求，使得紫外線消毒技術在美（měi）國成為備受關注（zhù）的一種給水處理技術，並且已（yǐ）有多（duō）家水（shuǐ）處理廠（>800家）改擴建 或新建了紫外線消毒係統。特別是近5年來，紫外（wài）線消毒技（jì）術正逐漸（jiàn）開始應用於一些大型的給水處理廠。據（jù）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（shuǐ）消毒係統[24]。另外，在（zài）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（shuǐ）的消毒。
歐洲
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（jiào）豐富。在1996~1997年間，奧地利和德國分別頒布了關於紫外（wài）線給水（shuǐ）消毒（dú）的有關（guān）規（guī）定（奧地（dì） 利：ÖNorm M5873；德國（guó）：DVGW Standard W 294）。它們都規定了紫外線（xiàn）給水消毒係統的一些特（tè）點，並給出了關於（yú）消毒係統運行測試（shì）和檢測的程序和方法。與此同時，在維也納（Vienna）和波恩 （Bonn）分（fèn）別建立了設（shè）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（guǒ）的測試基地，在這些試驗（yàn）基地可以進行不同（tóng）操作（zuò）條（tiáo）件下的生物（wù） 劑量試驗（Biodosimetry）[9，25]。根據規定（ÖNorm M5873 和 DVGW Standard W 294），給（gěi）水（shuǐ）廠紫（zǐ）外線消毒係統的測試和鑒（jiàn）定工作須在這些測試基地完（wán）成。總的來看，歐洲各國對紫外線消毒的一些規定比（bǐ）較類（lèi）似。下麵（miàn）以DVGW Standard W 294為例簡單介紹一（yī）下這些規定的內容。
DVGW Standard W 294針對紫外線給水消毒係統（tǒng）主要做了以下幾方（fāng）麵內容的規定：
支 持材料：主要（yào）包括關於（yú）紫外燈、燈罩和紫外感應器的詳細材（cái）料以及紫外消（xiāo）毒係統的裝配安裝、操作運行、反（fǎn）應器清洗的程序和方法等。例如（rú），材（cái）料中必須說明紫外（wài）燈 的類型、操作（zuò）電源及輸出（chū）的紫外波普；如果是采用多波長的（de）紫外燈，其紫（zǐ）外光（guāng）波長必須大部分集中在240~290 nm的範圍內；對於燈罩，必須（xū）得指出燈罩的材（cái）料、尺寸（cùn）及紫外透射波普等；而對於紫外感應器，應（yīng）說（shuō）明其適用波長區間、測量範圍、測量誤差、影響因（yīn）素、重（chóng）新校 正的要求及周（zhōu）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（cè）孔（kǒng）以及（jí）石英（yīng）窗（chuāng）等都必須符合規定標準。每個紫外線消毒反應（yīng）器必須至（zhì）少 安裝一個在線紫外感應器，能夠實時監測反應（yīng）器中紫外燈的輸出功率（lǜ），同（tóng）時還需要另外一個紫外感應器作（zuò）為參（cān）照（zhào）來驗證在線感應器的輸出值。如果發現（xiàn）它們輸出值之 間的誤差超出（chū）允許範圍，那麽在線紫（zǐ）外感應器可能需要清（qīng）洗、校正或者更換。每隔15個（gè）月，這些紫外感（gǎn）應器需要重新測試和校正一次。另外，感應器（qì）與被檢測紫外 燈（dēng）之間（jiān）的距離必須滿足以（yǐ）下條件：感應器對紫外燈輸出功（gōng）率的改變的敏感度與（yǔ）對進水紫外透射（shè）度（UVT）的敏感度基本一（yī）致。
操作控製：要求必須連續 不間斷地對進水流（liú）量、紫外感應器輸（shū）出（chū）結（jié）果以及相應的輸出紫外通量（liàng）進行監測。反應器（qì）中的輸出紫外通量必（bì）須（xū）要高於為保（bǎo）證給水消毒安全由生物劑量試驗得出的最低 紫（zǐ）外通量。另外，還應有突發事件（jiàn）（如，燈管破裂或輸（shū）出紫外通量低於（yú）安（ān）全值等）的安全保護措施及報警機製等（děng）。
消毒效果測試（生物劑量試 驗（yàn））：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（cè）定反應器的輸出紫外通（tōng）量，並選定（dìng）Bacillus Subtilis 孢子作為實驗過程中的目標微（wēi）生物。最（zuì）小（xiǎo）輸出紫外（wài）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（jí）試（shì）驗條件等都作了具體的規定。
據不完全統計，目前歐洲至少有2000多套紫外線消毒係統被用於城市給水消毒（dú），大部分的 處理能力（lì）都不超過1000m3/h，但是近年來（lái）也有一些大型的紫外線給水消毒係統（tǒng）開始投入建設和使用。總的來看，紫外線技術在歐洲國家主要應用於城市給 水、桶/瓶裝水以及商（shāng）業和景觀用水（shuǐ）等（děng）的消毒處（chù）理中（zhōng），隻有個別應用於汙（wū）水消毒（dú）處理。
其他國家或地區（qū）
隨歐洲和美國之後，加拿（ná）大、澳大 利亞、新西蘭、新加坡、日本以及台灣（wān）等國家和地（dì）區也紛紛展開了對紫外線消毒技術的研究和應用。目前（qián），加拿大安大略（luè）省（Ontario）及魁北克省 （Quebec）正（zhèng）在製定新的城市給水處理標準。這些新的（de）標準（zhǔn）參考了美國LT2ESWTR及德國DVGW Standard W 294的相關內容（róng），對紫外線消毒係統的設計安裝、運行測試、管理維護等方麵都作了詳（xiáng）細規定[26]。2000年新西蘭頒布了其（qí）最新版的生活應（yīng）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，使得紫外消毒技術（shù）得到了進一（yī）步的重視。在新西蘭，大 部分（約（yuē）90%）的紫（zǐ）外線給水消（xiāo）毒設施用於服務人口為1000~1500人（rén）左右的城鎮小型給水（shuǐ）處理廠[27]。2004年澳大利亞頒布的最新國家飲（yǐn）用水指 導方（fāng）針（Australian Drinking Water Guidelines）中也對紫外線（xiàn）給水消毒技術與其他同類處理技術（shù）（氯、氯胺、二（èr）氧化氯、臭氧消毒等）進（jìn）行了（le）分析（xī）對比（如表5所示），認為紫外線是比較 適合（hé）中（zhōng）小規模城市給（gěi）水處理的一種消毒技術[28]。

4．目前存在的問（wèn）題

紫外（wài）線給（gěi）水（shuǐ）消毒技術的最大（dà）缺（quē）點就是出水中沒（méi）有殘餘消毒能力。也就是說，紫外線消（xiāo）毒對（duì）出水（shuǐ）受到的二次汙 染（rǎn）或者出水中的微生物通過自我修複機製（zhì）對（duì）被紫外線破環的DNA或RNA進（jìn）行修複等無能為力。目前在紫外線給水消毒中，常采用（yòng）的方法是在紫外線消毒流程之後 再加入適量氯胺等消毒劑以（yǐ）保持給水管網（wǎng）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（shuǐ）水質差的話，不僅消毒（dú）效果將受到重大威脅，而且紫外燈係統 的工作周期和（hé）壽命（mìng）也要受到影響，可能會出現消毒不完全或紫外燈（燈罩（zhào））結垢、破裂等問題。由於目前給水消（xiāo）毒中應用的主要是水銀紫外燈，因此如果（guǒ）燈管破裂（liè）水 銀外漏，也可能會對給水安全造成（chéng）威脅。對消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（xiàn）給水消毒的重要（yào）問題。從上文中各國的規定可以看到，目前主要（yào） 采用生物（wù）計量法來檢測反應器中的輸出紫外通量，然而這樣的實驗（yàn）操作（zuò）複雜並且需要較長的時間才能得到結果，不能及時發現存（cún）在的問題，更不能實現在線實時（shí）監 控。另外，目前還沒（méi）有一個係統全麵的關於紫外線給水消毒方麵的設計規範和標準。