1．引言

在城鎮給水（shuǐ）處理中，通常采用投加化學藥劑（例（lì）如Cl2, ClO2, 或者O3等）的消毒方法（fǎ）。近些年（nián）來，研究人員發（fā）現在這些傳統的化學藥劑消毒過（guò）程中，會產生一些有害的（de）消（xiāo）毒副產物（DBPs），如（rú）THM，HAA，以及 HBr 等。由（yóu）於（yú）紫外線消（xiāo）毒不需要往水中投加任何化學物（wù）質，並且可以滅活一些（xiē）傳（chuán）統化學藥劑不（bú）能殺死（sǐ）的（de）有害微（wēi）生物，如隱（yǐn）性孢子菌（cryptosporidium ）和藍氏賈地鞭毛（máo）蟲（Giardia lamblia）等[1，2，3，4]，因此紫外線消毒受到了特別的重視。目前在北美和歐洲，紫外線消毒技術及（jí）其應用是一個十分活躍的研究領（lǐng）域，並且有越 來越多的城鎮給水廠（chǎng）采用了紫外線消（xiāo）毒措施。本文擬對紫外線（xiàn）消毒技（jì）術（shù）在給水處理中應（yīng）用的發展曆史及應用現狀作一簡單介紹（shào）。

2．紫外線消毒（dú）的發展曆（lì）史

大約在1個多世紀以前，人們就開（kāi）始了對紫外線消毒機理和應用的研究。早在1877年，Downs 和 Blunt 第一次（cì）報道了關於太陽光輻射可以殺滅培（péi）養基中細菌的特性，這也揭開了人們對紫外線（xiàn）消（xiāo）毒研（yán）究和應用的序幕[5]。但是，早期的研究和（hé）應用在很大程度上受到了 紫外線消毒硬件設施（shī）生產技（jì）術的局限，這主要體現在紫外燈、鎮流器、紫外感（gǎn）應器（qì）（UV sensor）等生產技（jì）術領域。下麵對紫外線（xiàn）消毒技術發展過程中（zhōng）有重要意義（yì）的發明（míng）、發現和應用作一簡單（dān）回顧。
1901年，汞燈開始被用作人造 紫外光（guāng）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）區域內，Bang在1905年也報道了同樣的（de）現象[5]。1904年，Kuch 造出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，在法國馬賽（sài）市（Marseilles），紫外線消（xiāo）毒（dú）係 統第一次被用於城市給水（shuǐ）處（chù）理的生產實踐中，日（rì）處理（lǐ）能力為200 m3/d；之後（hòu）（約1911年），轎車托運法國裏昂（áng）市（Rouen）一個地下水源水廠也采用了（le）紫外線消毒[7]。1916年，美國建設（shè）了第一個紫外線消毒係統，用 於肯塔（tǎ）基州亨德森市（Henderson）12,000居民的生活用水消（xiāo）毒；然後（hòu）在隨後的幾年內（1923~1928年），在俄亥俄州（zhōu）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（lù）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（dì）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（shōu）之間的聯係[7]。從1887年到1930年可以劃為紫外線給水 消毒發展的（de）第一個階（jiē）段，在這（zhè）個階段，紫外線消毒係統的生產技（jì）術（shù）有了初步的發展，人們對消毒（dú）機理有了基（jī）本（běn）的認識（shí），同時紫外線消毒技術已經（jīng）開始被應用於生產（chǎn）實 踐。
20世紀30年代中後期，紫外線（xiàn）消（xiāo）毒的研究和應用出現了一次低穀，這主（zhǔ）要（yào）是由於紫外燈的壽命、設備（bèi）的操作和維護（hù）以及消毒處理效率和成本等 問題造成的。在此期間，大部（bù）分水廠都（dōu）采用了技術相對成熟、操作簡單、效益較好的氯消（xiāo）毒取代了紫外（wài）線消（xiāo）毒。1938年，美國Westinghouse Electric 公司展出了（le）第一（yī）個熒光氣體放電管狀紫外燈（簡稱“熒光燈”），至此紫外（wài）燈的壽命和輸（shū）出功率得到了逐步的提（tí）高（gāo）。20世紀40年代，紫外（wài）燈及（jí）鎮（zhèn）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（le）基礎[8]。
20世紀50年代（dài），由於一些化學藥劑消毒副產物的發現以及在紫（zǐ）外 燈及相關設備生產技術的（de）不斷（duàn）提高，紫（zǐ）外線消毒技術的研究和（hé）應用又（yòu）得到了全麵的重視（shì）。特別是在歐洲，紫（zǐ）外線消毒技術再次（cì）被廣泛應用於城鎮給（gěi）水處理之中（zhōng）。 1955年，瑞士和奧地利開始采用紫外線給水消毒技術，到了1985年這兩個國家分別大約有500和600個（gè）紫外線消毒設（shè）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（nián）和1980年開始在城市給水中（zhōng）投入使（shǐ）用（yòng）紫外線（xiàn）消毒（dú）技術（值得一提（tí）的是（shì），比利時1957年建設的紫外（wài）線（xiàn）消毒（dú） 係統至今仍然在運轉）。到1996年為止（zhǐ），歐洲大約有2,000多個飲用水處理設施采（cǎi）用了紫外線消（xiāo）毒係統[7，9]。雖然（rán）紫外線給水消毒技（jì）術在歐洲已經得 到（dào）了較為廣泛的應用（yòng），但是在1989年美國環境保護署（US Environmental Protection Agency，簡稱“USEPA”）頒布的地表水處理（lǐ）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滅活（huó）水中藍氏賈第（dì）鞭毛蟲（Giardia lamblia）、隱性孢子菌（Cryptosporidium parvum）等水中（zhōng）有（yǒu）害病原菌，因此在美國仍然沒有得到重視。從1990年，美國水工（gōng）業協會（AWWA）以及美國水（shuǐ）工業研究基（jī）金（jīn）會（AWWARF）才開 始（shǐ）投（tóu）入大量資金對紫外線（xiàn）消毒技術展（zhǎn）開全麵係統（tǒng）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（zuò）是（shì）紫外線給水消毒發展的第二個階段。在該階 段，紫（zǐ）外（wài）線（xiàn）給（gěi）水消毒技術（shù）又重新被重視起來，並且在歐（ōu）洲開始被廣泛應用於城市給水消毒中。另外，在該時期紫外（wài）燈及（jí）相（xiàng）關係統設備生產技術得到了很大的提高，大 量（liàng）企業開始涉足於紫外線消（xiāo）毒係統（tǒng）的生產、安裝以及配套服務（wù）的商（shāng）業活動中。
1998~2000年期間，大量的研究發現紫（zǐ）外線（xiàn）消毒技術對 Cryptosporidium和（hé）Giardia有很好（hǎo）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（zhèng）式提到，對於殺活（huó）傳統（tǒng）消毒方法不（bú）能有效控製的（de）有害（hài）病原微生物，紫外線消毒技術是******選擇之一[12]。1999年（nián），國際（jì）紫外線協會 （International Ultraviolet Association，簡稱“IUVA”）成立，在國際（jì）上進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，USEPA頒布（bù）的（de）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（jì）及消毒副產物條例草案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡稱（chēng）“Stage 2 D/DBPR”）中，紫外線消毒技術被給（gěi）予了（le）特（tè）別的重視，被認為是取代傳統消毒技術的最重要、最有（yǒu）效和最可行（háng）的消毒技術之一。另外在20世紀90年代（dài）末， 歐洲各國也頒布了一些有關（guān）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）重大發現以及IUVA的成立標誌著紫外（wài）線給水消毒的應用和研（yán）究又 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多年前人們就開始了對紫外線消毒技術的研究和（hé）應用，但是真正的（de）重視和廣泛的應（yīng） 用（yòng）的時間卻並不長。在1998年以前，世界上紫（zǐ）外線消毒技術在城（chéng）市給水處理中的應（yīng）用主要集中（zhōng）在處理能力小於200 m3/h的中小型水廠。1998年以後，由於在紫（zǐ）外線消毒技術領域的一（yī）些突（tū）破性研究成（chéng）果的（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之（zhī） 中。例如在1998~1999年間，芬蘭赫爾辛基市（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水廠分（fèn）別進行（háng）了改建，增加 了紫（zǐ）外（wài）線（xiàn）消（xiāo）毒係統，總處理（lǐ）能力約為12,000 m3/h[13]；加拿大埃德蒙頓市（Edmonton）EL Smith 給水廠在（zài）2002年左右也安裝（zhuāng）了紫外線消毒（dú）設施，日處理能力為15,000 m3/h[14]。

3．紫（zǐ）外線（xiàn）消毒技術的應用現狀

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（fā）展，紫外線消毒係統設備（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 了紫（zǐ）外線（xiàn）消毒係統的運行費用，提高了其（qí）運行的穩（wěn）定性，為紫（zǐ）外線消毒技術的廣泛應用提（tí）供了前提條件。根據Malley的研究，每1m3/d設計處理能力的紫 外線消毒係統建設費用約為10~20美元，每處理1立方米進水的日常運行維護費用約為0.002~0.007美元（yuán）；低壓紫外燈消毒係（xì）統適用於（yú）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費用的構成比（bǐ）例是不同的。由（yóu）表1可以看出，日處理能力（lì）越 大的係統（tǒng），紫外燈係統（tǒng）設（shè）備費在建設費用中所占的比例越小，而電費在運（yùn）行（háng）管理費用中的比例卻越大（dà）[16]。與其他類似水處理技術相比較，紫外線消毒具有投資 較少、操（cāo）作簡單、占地麵積小、處（chù）理效果（guǒ）較好等優點。
另（lìng）外，近年來對紫外線消毒性能的大量研究表明紫（zǐ）外線對水中一些頑（wán）固的（de）有害微生物，如隱性孢（bāo） 子菌（Cryptosporidium）、藍氏賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）、軍團菌（Legionella pneumophila）、沙門氏菌（Salmonella spp.）等，具有良好的滅活（huó）效果 [2，4，17，18，19]；另（lìng）外還可以將水中的一些難分解有機汙染（rǎn）物，如腐（fǔ）殖（zhí）酸、MTBE、TCE、NDMA以及TNT等，氧化分（fèn）解為（wéi）簡單產物水、二 氧化碳等[20，21，22，23]。

3.2 各國對紫外線給（gěi）水消（xiāo）毒處理的規定及應用
紫外線（xiàn）消毒技術的這些優點徹底改變了以前人們（men）對其的看法，成為備受世界各國廣泛關注的一種給水消毒技術。下麵就簡單列舉一些國家（jiā）或地區目前應用紫外線給水消毒技術的情況及有關（guān）規定。
美國
如上文（wén）所（suǒ）述，為了提高生活用水（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，簡稱（chēng）“LT2ESWTR”）以（yǐ）及消毒劑及消毒（dú）副產物條例草案（Stage 2 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule，簡稱“Stage 2 D/DBPR”）。LT2ESWTR適用於所有受地（dì）表水直接影響的地表或地下水源（yuán）公共給水係統（Public Water Systems）。同時，為了保證紫外線消毒係（xì）統的處理（lǐ）效果，USEPA針對Giardia、Cryptosporidium和病毒的去除（chú）效（xiào）率規定了消毒 係統（tǒng）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，需（xū）額外達到的去除率；
2．對於（yú）非過濾係統，至少需達到的去除率（lǜ）；
3．運（yùn）行年度均值（Running Annual Averages）；
4．消毒副產物最高允許的濃度水平（píng）（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（zhǔ）要針對那些應用化（huà）學藥劑消（xiāo）毒的或者水中含有殘留消毒劑（jì）的地表或地下水源公有給水係統（community water systems）或永久性私（sī）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總平均值最高濃度標準，也（yě）就是說允許個別監測點處的消毒副產物濃（nóng）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（dù）總（zǒng）的消毒副產物濃度水平不（bú）得超過Stage 1所規定的最高值（zhí），而（ér）且還限製了各個監測點（diǎn）處的副產物濃度的（de）最高（gāo）值（zhí）水平。由於紫外線消毒過程中，並不需要向水中加入任何化學藥劑，因此不存在出水中（zhōng）含有殘 留消毒劑的問（wèn）題。另外，在（zài）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害的消毒副產物。因此，Stage 2對消毒副產物及殘留消（xiāo）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的一種給水處（chù）理技術，並且已有多家水處理（lǐ）廠（>800家）改擴建 或新建了紫外線消毒係統。特（tè）別是（shì）近5年來，紫外線消（xiāo）毒技術正逐漸開始應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（xiàng）調查報告，美國正在建 設幾個大型的紫外線給水消毒係統[24]。另外（wài），在（zài）美國紫外（wài）線消毒技術還被廣泛的應用於汙水廠二級處（chù）理出水的消毒。
歐洲
在歐（ōu）洲， 紫外線在給水消毒中的應（yīng）用具有較長的曆史，因此（cǐ）經驗（yàn）比較豐富。在1996~1997年間，奧地利（lì）和德國分別頒布了關於紫外線給（gěi）水消毒的有關規定（奧地 利：ÖNorm M5873；德國：DVGW Standard W 294）。它（tā）們都規定了紫外（wài）線給水消（xiāo）毒係統的（de）一些特點，並給出了關於消毒係統運行測試和檢測的程序（xù）和方法。與此同時，在維（wéi）也納（Vienna）和波恩 （Bonn）分別建立了設計處理能力為400和3,000m3/h的紫外線給水消毒係（xì）統處理效果的測試基地，在這些試驗基地（dì）可以進行不同操作條件下的生物 劑量試驗（Biodosimetry）[9，25]。根據規定（ÖNorm M5873 和 DVGW Standard W 294），給（gěi）水廠（chǎng）紫外（wài）線（xiàn）消毒係統的測試和鑒定工作須在這些測（cè）試基地完成。總的來看，歐洲各國（guó）對紫外線消（xiāo）毒的一些規定比較（jiào）類似（sì）。下麵以DVGW Standard W 294為例簡單介紹一下這些規（guī）定的內容。
DVGW Standard W 294針對紫外線給水消毒係（xì）統主要做了以（yǐ）下幾（jǐ）方麵內容的規定：
支 持材料：主要包括（kuò）關於紫外燈、燈罩和紫外感應（yīng）器的詳細材料以及紫外消毒係統的裝配安（ān）裝（zhuāng）、操作運行、反應器清洗的程序和方法等。例如，材料（liào）中必須說明紫外燈 的類型（xíng）、操作電源及輸出的紫外波普；如果是采用多波長的紫外燈，其紫外光波長必（bì）須大部分集中在240~290 nm的範圍內；對於燈（dēng）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（qì），應說明其適用波長區間、測量（liàng）範（fàn）圍、測量誤差、影響因素（sù）、重新校 正的要求（qiú）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（tàn）測孔以及（jí）石英窗等都必（bì）須（xū）符合規定標準（zhǔn）。每個紫外線消毒反應器必須至少 安裝一（yī）個在線紫外感應器，能夠（gòu）實時（shí）監測反應器中紫外燈的輸出功率，同時還需要另外一個紫外感應器作為參（cān）照（zhào）來驗證在線感應器（qì）的輸出值。如果發現它們輸（shū）出值之 間的誤差超出允許範圍，那麽在線（xiàn）紫（zǐ）外感應（yīng）器（qì）可能需要清洗（xǐ）、校正或者更換。每隔15個月，這些紫（zǐ）外感應器需要（yào）重新測試和校正一（yī）次。另外，感（gǎn）應器與被檢測紫（zǐ）外 燈之間的距離必（bì）須滿足以下條件：感應器對（duì）紫外燈輸出功率（lǜ）的（de）改變的敏感度與對進水紫外（wài）透射度（UVT）的敏（mǐn）感度基本一致。
操作控製：要求必須連續 不間斷地對進水流量、紫（zǐ）外感（gǎn）應器輸出結果以及相應的輸出紫外通量進行監測。反應（yīng）器中的輸出紫外通量必須要高於為保證給水消毒安全由生物劑量試驗得出（chū）的最低 紫外通量。另外，還應有突發（fā）事件（如，燈管破裂或輸出紫外通量低於安（ān）全值等）的安全保護措施及報警機製等。
消毒（dú）效果測試（shì）（生物劑量試 驗）：DVGW Standard W 294 規定紫外線（xiàn）消毒的最小輸出紫外通量（liàng）為40 mJ/cm2，由生物劑量試驗法測定反應器的輸出紫外通量，並選定Bacillus Subtilis 孢子（zǐ）作為實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外燈功率（降（jiàng）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（děng）都作了具（jù）體的規定。
據不完全統計，目前歐洲至少有2000多（duō）套紫（zǐ）外線消毒係統被用於城市給水消毒，大部（bù）分的 處（chù）理能力都不超過1000m3/h，但是近年來（lái）也有一些大型的紫外線給水消（xiāo）毒係統開始投入建設和使用。總的來看，紫外線技術在歐洲國家主（zhǔ）要應用（yòng）於城市給 水、桶/瓶裝水以（yǐ）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（wū）水消毒處理。
其他國家或地區
隨歐洲和美國之後，加拿大、澳大 利亞、新西蘭、新加坡、日本以及台灣等國家和地區也紛紛展開了對紫外線消毒技術的研究和應（yīng）用。目前，加拿（ná）大安大（dà）略省（Ontario）及魁（kuí）北克省 （Quebec）正在製定新的城市給水處理標準。這些新的標準參考了（le）美國LT2ESWTR及德國DVGW Standard W 294的相關內容，對紫外線消毒（dú）係統的設計安裝、運（yùn）行測（cè）試、管理維護等方麵都作了詳細規定[26]。2000年（nián）新西（xī）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（zǐ）外（wài）消毒技術得到了進一步的重視。在新（xīn）西蘭，大 部分（約90%）的紫外線給水消毒設施用於服務人口為1000~1500人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（guó）家飲用水（shuǐ）指 導方針（zhēn）（Australian Drinking Water Guidelines）中也對紫外線給水消毒技術與其他同類處理技術（氯（lǜ）、氯胺（àn）、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（shì）比較 適合中小規模城市給水處理的一種消毒技術[28]。

4．目前存在的問題

紫外線給水消毒技術的******缺點就是出水中沒有殘餘消毒能力。也就是（shì）說，紫外線消毒（dú）對出水受（shòu）到的二次汙 染或者出水中的微生物通過自（zì）我修複機（jī）製對被紫外線破環的DNA或RNA進行修（xiū）複等無能為力。目前在紫外線給水消毒中，常采用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（jì）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（rú）果進水水質差的話，不僅消毒效果將受（shòu）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主要是水銀紫外燈，因此如果（guǒ）燈（dēng）管破裂水 銀（yín）外漏，也可能會對給水安（ān）全造成威脅。對消毒反應器中的輸出紫外通量的檢測也是一個影（yǐng）響紫外線給水消毒的重要問題。從上文中各國（guó）的規定可以（yǐ）看到，目前主要 采用生物計量法來檢測反應器中的輸出紫外通量，然而這樣的實驗操作複（fù）雜並且（qiě）需要較長的時間才能得到結果，不（bú）能及時發現存在的（de）問題，更不能實現在（zài）線（xiàn）實時監 控。另外，目前還沒有一個係統全麵的關於紫外（wài）線（xiàn）給水消毒方麵的設計規範和標準。