1．引言

在城鎮給水處（chù）理（lǐ）中，通常采用投加化學（xué）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統的（de）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。由於紫外（wài）線消毒不需要往水中投加任何化學物質，並且可（kě）以滅活一些傳統化學（xué）藥劑不能殺死的有害微生物，如隱性孢子菌（cryptosporidium ）和藍氏賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）等[1，2，3，4]，因此紫外線消毒受到了（le）特別的重視。目（mù）前在北美和歐洲，紫外線消（xiāo）毒技術及其應用是一個十（shí）分活躍的研究領域，並且有越 來越多的城鎮給水廠采（cǎi）用了紫外線消毒（dú）措施。本文擬對紫外線消（xiāo）毒技術在給水處理中應（yīng）用的發展曆史及應用現狀作一簡（jiǎn）單介紹（shào）。

2．紫外（wài）線消毒的發展曆史

大約在1個多世紀以前，人（rén）們就開始了對紫外線消毒機理和應用的研究。早在1877年，Downs 和 Blunt 第一次報道（dào）了關於太陽光輻射可以殺滅培養基中細菌的特性，這（zhè）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 紫外線消毒硬件設施生產技術的（de）局限，這主要體現在紫外燈、鎮流器、紫外感應器（UV sensor）等生產技術領域。下麵對紫（zǐ）外線消毒技術（shù）發展過程中（zhōng）有重要意義的發明、發現和應（yīng）用作一簡單回（huí）顧。
1901年（nián），汞燈（dēng）開始（shǐ）被用作人造 紫外光源；1903年，Bernard 和 Morgan 發現（xiàn）了對（duì）生物最敏感的紫外光主要集中（zhōng）在波長250 nm 左（zuǒ）右的區域內，Bang在1905年也報道了同樣的現象[5]。1904年，Kuch 造出了（le）第一個石英紫外燈[6]。1906年，石英開（kāi）始大量被用於（yú）紫外燈生產和（hé）研究領（lǐng）域（yù）；1910年，在法國馬賽市（Marseilles），紫外線消毒係 統第一次被用於城市給水處理的生產實踐中，日處理能力（lì）為200 m3/d；之後（約1911年），轎車托運法國（guó）裏昂市（shì）（Rouen）一（yī）個地下水源水廠也采用了紫外線（xiàn）消毒[7]。1916年，美國建設了（le）第一個紫外線消毒係統（tǒng），用 於肯塔基州亨德（dé）森市（Henderson）12,000居（jū）民的生活用水消毒；然後在隨後的幾（jǐ）年內（1923~1928年），在俄亥俄（é）州伯利亞市 （Berea）、肯薩斯州霍爾頓市（Horton）、俄亥俄州匹茲（zī）堡市（Perrysburg）等地也陸續采用了紫外線（xiàn）消毒技術[6]。1929 年，Gates 對紫外線（xiàn）消毒的機理做了（le）深入（rù）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係[7]。從1887年到1930年可以劃為紫外線給水 消毒發展的第一個階段，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（duì）消毒機理有了基本的認識，同時紫外線消（xiāo）毒技（jì）術已經（jīng）開始被應（yīng）用於生產實 踐。
20世紀30年代（dài）中（zhōng）後期（qī），紫外線消毒（dú）的研究和應用出現了一次低穀，這主（zhǔ）要（yào）是由（yóu）於紫外（wài）燈的壽命、設備的操作和（hé）維（wéi）護以及消毒處理效率和成本等 問題造成的。在（zài）此期間，大部分水廠都采用了技術相對成熟（shú）、操作簡單、效益較好的氯消毒取代了紫（zǐ）外（wài）線消毒。1938年，美國Westinghouse Electric 公司展出了第（dì）一個熒光氣體（tǐ）放電管狀紫外燈（簡稱“熒光（guāng）燈”），至此（cǐ）紫外燈的（de）壽命和輸出功率得到了逐步的提高。20世紀40年（nián）代，紫外燈及鎮（zhèn）流器（qì）的生產技術 得到了進（jìn）一步的（de）提高，這為以後紫外線消毒技術的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（fù）產物的發現以及在紫外 燈及相關設備生產技術的不斷提高，紫外（wài）線消毒技術的研究和應用又得到（dào）了全麵的重視。特別是在歐洲（zhōu），紫外線（xiàn）消毒（dú）技術再次被廣（guǎng）泛應用於城（chéng）鎮給水處理之中（zhōng）。 1955年，瑞士和奧地利開始采用（yòng）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個紫外線消毒設施已經投入使用（yòng）[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（tóu）入（rù）使用紫外線消毒技術（shù）（值得一提的是，比利時1957年建設的紫外線消毒 係統至今仍然在運轉）。到1996年為止，歐洲大約有2,000多個飲用水處理設施采用了紫外線消毒（dú）係統[7，9]。雖然紫外線給水消毒技術在歐（ōu）洲已經得 到了較為廣泛的應（yīng）用，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（jiǎn）稱“SWTR”）中，紫外（wài）線（xiàn）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（xìng）孢子菌（Cryptosporidium parvum）等水中有害病原菌（jun1），因此在（zài）美國仍然沒有（yǒu）得到重視。從1990年，美國（guó）水工業協（xié）會（AWWA）以及美國水工（gōng）業研（yán）究（jiū）基（jī）金會（AWWARF）才（cái）開 始投（tóu）入大量資金對紫外（wài）線消毒技術展開全麵（miàn）係統的研究。這段時期（從20世紀（jì）50年代初到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（duàn）。在該階 段，紫外線給水消毒（dú）技術又重新被重視起來，並且在歐洲開始被廣泛應用於城市給水消毒中。另外，在（zài）該時期紫外燈及相關係（xì）統設備生產技術（shù）得到（dào）了很（hěn）大的提高，大 量企業開始涉（shè）足於（yú）紫外線消毒係統的生產、安裝以及配套（tào）服務的商業活（huó）動中。
1998~2000年期間，大量的研究發現紫（zǐ）外（wài）線消毒技術對 Cryptosporidium和（hé）Giardia有（yǒu）很好的滅（miè）活效果[1，2，10，11]。同時在2000年USEPA頒布的地下水消毒條（tiáo）例（lì） （Groundwater Disinfection Rule, 簡稱“GWDR”）正式提到，對於殺活（huó）傳統消毒方法不能有效控（kòng）製的有害病原微生物，紫外線消毒技術是******選擇之一[12]。1999年，國際紫外線協會 （International Ultraviolet Association，簡稱“IUVA”）成立，在國（guó）際上進一步促進了（le）紫外線在各領（lǐng）域中應用技術的研究和交流（liú）。2002年，USEPA頒布的增強地表水 處理條例草案（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”）中，紫外線消毒技術被給（gěi）予了（le）特別的重視，被認為是取代傳統（tǒng）消毒技術的最重（chóng）要（yào）、最有效（xiào）和最可行的消毒（dú）技術之一（yī）。另外（wài）在20世紀90年代末， 歐洲各國也頒布了一些有關紫外線給水消毒（dú）的規定和標準。從1998年開始，對紫外線消毒的重大發現以及IUVA的成立標誌著（zhe）紫（zǐ）外（wài）線給水消毒（dú）的（de）應用和研究又 進入了（le）一（yī）個新的階（jiē）段。
從上麵的發展過程可以（yǐ）看出，雖然早在（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，但是真正的重視和廣泛（fàn）的應 用的時間卻並（bìng）不長。在1998年以（yǐ）前，世界上紫外（wài）線消毒技術（shù）在城市給水處（chù）理（lǐ）中的應用主要集中在（zài）處理能力小於200 m3/h的（de）中小型水廠。1998年以後，由於在紫外線消毒技術領域的一些突破性（xìng）研究成果的（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 中。例如在（zài）1998~1999年間，芬蘭赫爾（ěr）辛基（jī）市（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水（shuǐ）廠分別進行了改建（jiàn），增加 了紫外線消毒（dú）係（xì）統，總處理能力（lì）約為12,000 m3/h[13]；加拿大（dà）埃德（dé）蒙頓市（Edmonton）EL Smith 給水廠在2002年左右（yòu）也安（ān）裝了紫外線消毒設施，日處理能力為15,000 m3/h[14]。

3．紫外線消毒技術的應（yīng）用現狀

3.1 紫外線（xiàn）消毒係統的經濟指標及處理效果
　　經 過近100多年的發展，紫外線消毒係統設備（包括紫外燈、鎮流器、紫外感應（yīng）器、燈（dēng）管清洗裝（zhuāng）置及反（fǎn）應器控製（zhì）係統等）的生產（chǎn）技術有了很（hěn）大的提高。這大大的（de）降低 了紫（zǐ）外線消毒係統的運（yùn）行費用（yòng），提高了其運行的（de）穩定性（xìng），為紫外線消毒技術的廣泛應用提供了前提條件。根據Malley的研究，每（měi）1m3/d設（shè）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（mǐ）進水的日常運行維護費用約為（wéi）0.002~0.007美元（yuán）；低壓紫外燈（dēng）消毒係統適用於小型給水處理 設施，中壓紫外燈消毒係統（tǒng）對於處理能力高於8,000 m3/d的給（gěi）水處理設施更適合（hé）[15]。對於不同規模的紫外燈給水消毒係統，其建設費（fèi）用和運行管理費用（yòng）的構成比例是不同的。由表（biǎo）1可以看出，日處理能力越 大的係（xì）統，紫外燈係統設備費（fèi）在建設費（fèi）用中所占的比例（lì）越小，而電費在運行管理費用中的比例卻越大[16]。與其他（tā）類（lèi）似水（shuǐ）處理（lǐ）技術相比較，紫外線消毒具有投（tóu）資 較少、操作簡單、占地麵積小、處（chù）理（lǐ）效果較好等優點。
另外，近年來（lái）對紫外線（xiàn）消毒性能的大量研究（jiū）表（biǎo）明紫（zǐ）外線對水中（zhōng）一些頑固的有害微生（shēng）物，如（rú）隱性孢 子菌（Cryptosporidium）、藍氏賈地鞭毛蟲（chóng）（Giardia lamblia）、軍團菌（Legionella pneumophila）、沙門（mén）氏菌（jun1）（Salmonella spp.）等，具有良好的滅活效果 [2，4，17，18，19]；另（lìng）外（wài）還（hái）可以將水中的（de）一些難分解有機汙染物，如腐殖酸（suān）、MTBE、TCE、NDMA以及TNT等，氧化分解為簡單產物水、二（èr） 氧化碳等[20，21，22，23]。

3.2 各國對紫外線（xiàn）給水消毒處理的規定及應用
紫外線消毒技術的這（zhè）些優點徹底改變了以前人們對其（qí）的看法（fǎ），成（chéng）為備受世界各國（guó）廣泛關（guān）注的一種給水消毒技術。下麵就簡單列舉一些國家或地區目前應用紫（zǐ）外線給水消毒技術的情況及有關規定。
美國
如上（shàng）文所述，為了提高生活用水安全，減（jiǎn）少水中有害（hài）微（wēi）生物及消毒副（fù）產物，美國在2002年頒（bān）布了增強地表水（shuǐ）處理條例草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，簡稱“LT2ESWTR”）以及消毒劑（jì）及消毒副產（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（yǒu）受地（dì）表水直接影響的地表或地下水源公共給水係統（Public Water Systems）。同時，為了保證（zhèng）紫外線消毒係統的處理效果，USEPA針（zhēn）對Giardia、Cryptosporidium和病毒的去除效率規定了消毒 係統中應達到的最小紫外線通量的要求（qiú）。
1．對於過濾係統，在（zài）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（dù）均值（zhí）（Running Annual Averages）；
4．消（xiāo）毒副產物最（zuì）高允（yǔn）許的濃（nóng）度水平（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（xué）藥劑消毒的（de）或者水中含有殘留消毒劑的地表或地下水源公有給水係統（community water systems）或永久（jiǔ）性私（sī）有給水（shuǐ）係統（nontransient noncommunity water systems），分Stage 2A和2B兩（liǎng）個階段實施（shī）。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（zuì）高濃度標準，也就是說允許個別監測點處的消（xiāo）毒副產物濃度高於（yú）規定值（zhí）。但是對於Stage 2來說，它不僅要求（qiú）每個運行年度總的消毒副產物濃度水平（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處的副產物濃度的最高值水平。由於紫外線消毒過（guò）程中，並（bìng）不（bú）需要向水中加入任何化學藥劑，因此不存在出水中含有殘 留（liú）消毒劑的問題（tí）。另外，在目前（qián）的大（dà）量研究中，還沒有發現紫外線消毒過（guò）程可以產生有害的消毒副產（chǎn）物。因（yīn）此，Stage 2對消毒副（fù）產物及殘（cán）留（liú）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的一種給水處理技術，並（bìng）且已有多家水處理廠（>800家（jiā））改擴建 或新建了紫外（wài）線消毒係（xì）統。特別是近5年來，紫外線消毒技（jì）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調查報告，美國正在建 設幾（jǐ）個大型的（de）紫外線（xiàn）給（gěi）水消毒（dú）係（xì）統（tǒng）[24]。另外，在美國紫外線（xiàn）消毒技術還被廣（guǎng）泛的應用於汙水廠二級處理出水的消毒（dú）。
歐洲
在歐洲， 紫外線在給水消毒中（zhōng）的應用具有較（jiào）長的（de）曆史，因此經驗（yàn）比較豐富。在1996~1997年間，奧地利和德國分別頒（bān）布了關（guān）於紫（zǐ）外線給水消毒的（de）有關規定（奧（ào）地 利：ÖNorm M5873；德國（guó）：DVGW Standard W 294）。它們都規定了紫外線給水消毒係統的一些特點，並給（gěi）出了關於消毒係統運行測試和（hé）檢測的程序和方法。與此同時（shí），在維也（yě）納（Vienna）和波恩 （Bonn）分別建立了設計處理（lǐ）能力為400和3,000m3/h的紫外線給水消毒係統（tǒng）處理效果的測試（shì）基地，在這些試驗基地可以（yǐ）進行不（bú）同操作條件下的生物 劑量試（shì）驗（Biodosimetry）[9，25]。根據規定（ÖNorm M5873 和 DVGW Standard W 294），給水廠紫（zǐ）外線消毒（dú）係（xì）統（tǒng）的測試和鑒定工作須在（zài）這些測試（shì）基地完成。總的來看，歐洲（zhōu）各國對紫外線消毒的一些規定比較類似。下麵以DVGW Standard W 294為例簡單介紹一下這些規定的內容。
DVGW Standard W 294針對紫外線（xiàn）給水消毒係統主要做了以下幾方（fāng）麵內容的規定：
支 持材料：主（zhǔ）要包括關於紫外燈、燈罩和紫外感應器（qì）的詳細材料以及紫外消毒係統的裝配安裝、操作運（yùn）行、反應（yīng）器清洗的（de）程序和方法等。例如，材料中必（bì）須說明紫外燈（dēng） 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（wài）燈，其紫（zǐ）外光波長必須大部分集中在240~290 nm的範圍內；對於燈罩，必須得指出燈（dēng）罩的材（cái）料、尺寸及紫外透射波普等；而對於紫外感應器，應說（shuō）明其適（shì）用波長區間、測（cè）量範圍、測量誤差、影響（xiǎng）因（yīn）素、重新校 正的要（yào）求（qiú）及（jí）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（bì）須符合規定標準。每個紫外線（xiàn）消毒反應器必（bì）須至少 安裝一個在線紫（zǐ）外（wài）感應器，能夠實時監（jiān）測反應器中紫外燈的輸出功率，同時還需要另外一個紫外感應器作為參（cān）照來（lái）驗（yàn）證在線感應（yīng）器的輸出值。如（rú）果發現它們輸出值之 間的誤差超出（chū）允許（xǔ）範圍，那麽在線紫外感應器可能需要清洗、校正或者更換。每隔15個月，這些紫外感應器需（xū）要重新測試和校正一次。另外，感應器與被（bèi）檢（jiǎn）測紫外 燈之間的距（jù）離必須滿足以下條件：感應器對紫外燈輸出功率（lǜ）的改變的敏感度與對進水紫外透射度（UVT）的敏感度基本一致。
操作控製：要求必須連續 不間斷地對進水流量、紫外感應器輸（shū）出（chū）結果以及（jí）相應的輸出紫外通量進行監測。反應器中（zhōng）的輸出（chū）紫外通量必須要高於為保證給水消毒安全由生物劑（jì）量試驗得（dé）出的最低 紫外通量。另外，還應有突發（fā）事（shì）件（如，燈（dēng）管破裂或輸（shū）出紫外通量低於安全值等）的安全保護措施及報警機（jī）製等。
消毒效果測試（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（wéi）實驗（yàn）過程中的目標微生物。最小輸出紫外（wài）通量可以通過降低紫外燈功率（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（jiàn）等都作了（le）具體的規定。
據不完全統計，目前歐（ōu）洲（zhōu）至少有2000多套紫外線消毒係統被用於城市（shì）給水消毒，大部分（fèn）的（de） 處理能力都不超過1000m3/h，但（dàn）是近年（nián）來也有一些大型的紫外線給水（shuǐ）消毒係統開（kāi）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（chéng）市（shì）給（gěi） 水、桶/瓶裝水以及商業和景觀用（yòng）水等的消毒處理中，隻有個別應用於汙（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（xīn）西蘭、新加坡、日本以及台灣等國家和地區也紛紛展（zhǎn）開了對紫外線消毒技術的研究和應用。目前，加（jiā）拿大安大略省（Ontario）及魁北克省（shěng） （Quebec）正在製定新的城市給水處理標準（zhǔn）。這些新的標準參考了美國LT2ESWTR及德國DVGW Standard W 294的相關內容，對紫外線（xiàn）消毒係統的設計安裝、運行測試、管（guǎn）理維護等（děng）方麵都（dōu）作了詳細規定[26]。2000年新西蘭（lán）頒布了其最新版的生活應用水（shuǐ）標（biāo）準 （New Zealand Drinking Water Standards），加強了對水中Cryptosporidium和Giardia的去（qù）除率的要求，使（shǐ）得紫外消毒技術得到了進一步的（de）重視。在新西蘭，大 部分（約90%）的紫外線給水消毒設施用於服務（wù）人口為1000~1500人左右（yòu）的（de）城鎮小型給水處理廠[27]。2004年澳大利亞（yà）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（gěi）水消毒技術與其他同（tóng）類處（chù）理技術（shù）（氯（lǜ）、氯胺、二氧（yǎng）化氯、臭氧消毒等）進（jìn）行了分析對（duì）比（如表（biǎo）5所示），認為紫外線是比較 適合中小規模城市給水處理的一（yī）種消毒技術[28]。

4．目前存在的問（wèn）題

紫外線給水消（xiāo）毒技術（shù）的******缺點就是出水中（zhōng）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（rǎn）或者出水（shuǐ）中的微生物通過自我修（xiū）複（fù）機製對被（bèi）紫（zǐ）外線破環的DNA或RNA進行修複等無能為力（lì）。目前在紫（zǐ）外線給水（shuǐ）消毒中，常采用的方法是（shì）在紫外線消毒流程之後 再加入適量（liàng）氯胺等消毒（dú）劑以保持給水管網中的殘（cán）餘消毒（dú）量。紫外線消毒對進水水質要求較高，如果進水水質差的話（huà），不僅消毒效果將受到（dào）重大威脅，而且紫外燈係（xì）統 的工作周期和壽命也要（yào）受到影（yǐng）響，可能會出現消毒不完全或（huò）紫外燈（燈罩）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（rú）果燈管破裂水（shuǐ） 銀外漏，也可能會對給水安全造成威脅。對消毒反應器中的輸出紫（zǐ）外通量的檢測也（yě）是一（yī）個影響（xiǎng）紫外線給水消毒的重要問題。從上文中（zhōng）各（gè）國的規定可以看到，目前主要 采用生物計量法來檢測反應器中的輸出（chū）紫外（wài）通量，然而這樣的實驗操作複雜並且需要較長的時間才（cái）能得（dé）到結果，不能及時發現存（cún）在的問（wèn）題，更不能實（shí）現在線（xiàn）實時監 控。另外（wài），目（mù）前還（hái）沒有一個係統（tǒng）全麵的關於紫外線給水消毒方麵的（de）設計（jì）規範和標準。