1．引言

在城鎮給（gěi）水處理中，通常（cháng）采用投加化學藥劑（例如（rú）Cl2, ClO2, 或者O3等）的消毒方（fāng）法。近些年（nián）來，研究人員發現在這些傳統的化學藥劑消毒過程（chéng）中，會產生一些有害的消毒副產物（DBPs），如THM，HAA，以及 HBr 等。由於紫外線消毒不需要往水中投加任何化學物質，並且可以滅活（huó）一些傳統化學藥劑不能（néng）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（děng）[1，2，3，4]，因此紫外線消毒受到了特（tè）別的重視。目前在北美（měi）和歐洲，紫（zǐ）外線消毒技術及其應用是一個十分活躍的研究領域，並且有越（yuè） 來越多的城鎮給水廠采用了紫外線消毒措施。本文擬對紫外線消毒技術在給水處理（lǐ）中應（yīng）用的發展曆史（shǐ）及應（yīng）用現狀作一簡單介紹。

2．紫外線消毒的發展曆史

大約（yuē）在1個多世紀（jì）以前，人們就開始了對紫外線消毒（dú）機理和應（yīng）用的研究。早在1877年，Downs 和 Blunt 第一次報道了關於太陽光輻射可以殺滅（miè）培養基中細菌的特性，這也（yě）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，這主要體現在紫外燈、鎮流器（qì）、紫外（wài）感（gǎn）應器（UV sensor）等生產技術（shù）領域。下麵對紫外線消毒技術發展過程（chéng）中有重要意義的發明、發現和應用作一簡單回顧。
1901年，汞（gǒng）燈開始被用作人造 紫（zǐ）外光源；1903年，Bernard 和 Morgan 發現（xiàn）了對生物最敏感的紫外光主要（yào）集中在波長250 nm 左右的區域內，Bang在1905年也報（bào）道（dào）了（le）同樣的現象[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（yú）紫外（wài）燈生（shēng）產和研究領域；1910年，在法國馬賽市（Marseilles），紫外線消毒係 統第一次被用於城（chéng）市給水（shuǐ）處理（lǐ）的生產實踐（jiàn）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（gè）地下水源水廠（chǎng）也采用了紫外線消毒[7]。1916年，美（měi）國建設了第（dì）一個紫外線消毒係統（tǒng），用 於肯塔基州亨德森（sēn）市（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（hài）俄州伯利亞市 （Berea）、肯薩斯州霍爾頓市（Horton）、俄亥俄（é）州匹茲堡市（Perrysburg）等地也陸續采用了紫外線消（xiāo）毒技（jì）術[6]。1929 年，Gates 對紫（zǐ）外（wài）線消毒的（de）機理做了深入地研究，並第一次確立（lì）了細（xì）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（zǐ）外線消毒係統的生產（chǎn）技術有了初步的發展，人們對消（xiāo）毒機理有了基本的認（rèn）識，同時紫外線消毒技術已經開（kāi）始被應用於生產實 踐。
20世紀（jì）30年（nián）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（yào）是由於紫外燈的壽命、設備的（de）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，大部分水（shuǐ）廠都采用了技術相對成熟、操作簡單（dān）、效益較好的氯消毒取（qǔ）代了紫外線消毒。1938年，美國Westinghouse Electric 公司展出（chū）了（le）第一個熒光氣體放電管狀紫外燈（簡稱“熒光燈（dēng）”），至此紫外燈的壽命（mìng）和（hé）輸出功率得到（dào）了逐步的提高。20世紀40年代，紫外燈及鎮流器的生產技術 得到了進一步（bù）的提高，這為以後紫外線消毒技術的使用和（hé）推廣（guǎng）奠定了基礎[8]。
20世紀50年代，由於（yú）一些化學藥劑（jì）消毒副產物的發現以（yǐ）及在紫（zǐ）外 燈及相關設備生產技術的不（bú）斷提高，紫外（wài）線消（xiāo）毒技術的研究和應用又得到了全麵的重（chóng）視。特別是（shì）在歐洲，紫外線消毒技（jì）術再次被廣泛（fàn）應用於城鎮給水（shuǐ）處（chù）理之中。 1955年，瑞士（shì）和奧地利開始采用紫外線給（gěi）水消（xiāo）毒技術，到了1985年這兩個國家分別大約有（yǒu）500和600個紫外線消毒設（shè）施已經投入使用[7]。另外，比 利時、挪威和荷（hé）蘭也分（fèn）別在1957年、1975年和1980年開始在城市給水中投入使用紫外線（xiàn）消毒技術（值得一提的（de）是，比（bǐ）利（lì）時1957年建設的紫（zǐ）外線消毒 係統至今仍（réng）然在運轉）。到1996年為止，歐洲大（dà）約有2,000多個飲用水處理設施（shī）采用了紫外線消毒係統[7，9]。雖然紫外線給水消毒（dú）技（jì）術在歐洲已經得 到了較為廣泛的應用，但是在1989年美國環境保護署（US Environmental Protection Agency，簡（jiǎn）稱“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（jì）術仍然被認為不（bú）能有效滅活水中藍氏賈第鞭毛蟲（Giardia lamblia）、隱性孢子菌（Cryptosporidium parvum）等水中有（yǒu）害病原（yuán）菌（jun1），因（yīn）此在美國仍然沒（méi）有得到重視。從1990年，美國（guó）水工業協會（huì）（AWWA）以及（jí）美國（guó）水工業研究基金會（huì）（AWWARF）才開 始投入（rù）大量資金對紫外線消毒（dú）技術展（zhǎn）開（kāi）全麵係統的研究。這段時期（從20世紀50年代初到90年代中期）可（kě）以（yǐ）看作是（shì）紫外線給水消毒發展的第（dì）二個階（jiē）段（duàn）。在該階 段，紫外線給水（shuǐ）消毒技術又重（chóng）新被重視起來，並且在歐洲開始被廣泛應用於（yú）城市給水消毒中。另外，在該時期紫外燈及相關係統設備生（shēng）產技（jì）術得到了很大的提高，大 量企業開始涉（shè）足於紫外線消毒係統的生產、安裝以及配套服務的（de）商業活動中。
1998~2000年（nián）期間（jiān），大量的研究發現紫外線消毒技術對 Cryptosporidium和Giardia有很好的滅（miè）活效果[1，2，10，11]。同時在（zài）2000年USEPA頒布（bù）的地下水（shuǐ）消毒條例 （Groundwater Disinfection Rule, 簡稱“GWDR”）正（zhèng）式提到，對於殺活傳統（tǒng）消毒方（fāng）法不（bú）能有（yǒu）效控（kòng）製的有害病原（yuán）微生物，紫外線消毒技（jì）術是******選（xuǎn）擇之一[12]。1999年（nián），國際紫（zǐ）外線協會 （International Ultraviolet Association，簡稱“IUVA”）成立，在國（guó）際上進一步促進了紫外線在各領（lǐng）域中應用技術的研究和交流。2002年，USEPA頒布的增強地表（biǎo）水 處理條例草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，簡稱（chēng）“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予了特別的重（chóng）視，被認為是取代傳統消毒技術的最重要、最有效（xiào）和最可行（háng）的消毒技術（shù）之一。另外在20世紀90年代末， 歐洲（zhōu）各國也頒（bān）布了（le）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（xiàn）消毒的重大發現以及（jí）IUVA的成立標誌著（zhe）紫外線給水消毒的應（yīng）用和研究又（yòu） 進入了一個新的階（jiē）段。
從上麵的發展（zhǎn）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（yīng）用，但是真正的重（chóng）視和廣泛的（de）應 用的時間卻並不長。在1998年以前，世界上紫外線消毒技術在城市給水處理中的應（yīng）用主要集中在處理能力小於200 m3/h的（de）中小型水廠。1998年以後，由（yóu）於在紫外線消毒（dú）技術領域的一些突破性研究成果的發表，紫外線消毒技術才開始應用於（yú）一些大規模的城市（shì）給（gěi）水處理之 中。例如在1998~1999年間，芬蘭赫爾辛基（jī）市（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水廠分別進行了改建，增加 了紫外線消毒係（xì）統，總處理能力（lì）約為12,000 m3/h[13]；加拿（ná）大（dà）埃德蒙頓市（Edmonton）EL Smith 給水廠在2002年左右也安（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用現狀

3.1 紫外線消毒（dú）係統的（de）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（dēng）、鎮流器、紫外感應器、燈（dēng）管（guǎn）清洗裝置及反應器控製係統等）的生（shēng）產技術有了很大的提高。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，為紫外線消毒技術的廣（guǎng）泛應用提供了前提條件。根據Malley的研究，每1m3/d設計處理能力的紫 外線消（xiāo）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（měi）元；低（dī）壓紫（zǐ）外燈消毒係統適用於小型給水處理 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（lǐ）設施更適合[15]。對於不同規模（mó）的紫外（wài）燈給水（shuǐ）消毒係統，其建設費用和運行管理費用的構成比例是（shì）不同的。由（yóu）表1可以看出，日（rì）處理能力越 大的係統，紫（zǐ）外燈係統設備費在建設費用中所（suǒ）占的比例越小，而電費在運行管理費用中的比例卻越大[16]。與其他類似水（shuǐ）處理技術相（xiàng）比較（jiào），紫（zǐ）外線消毒具有（yǒu）投（tóu）資 較（jiào）少、操作簡單、占地麵積（jī）小、處理效果較（jiào）好等優（yōu）點。
另外，近年來對紫外線消毒性能的大量研究表（biǎo）明紫（zǐ）外線對水中一（yī）些頑固的有（yǒu）害微生物，如隱性（xìng）孢 子菌（Cryptosporidium）、藍氏賈地鞭毛蟲（Giardia lamblia）、軍團菌（Legionella pneumophila）、沙門（mén）氏菌（Salmonella spp.）等，具有良好的（de）滅活效果 [2，4，17，18，19]；另外還可以將水中的一些（xiē）難分解（jiě）有機汙染物，如腐殖酸、MTBE、TCE、NDMA以及TNT等，氧化分解為簡單產物水、二 氧（yǎng）化碳等[20，21，22，23]。

3.2 各國對紫外線給水（shuǐ）消毒處（chù）理的規（guī）定及應用
紫（zǐ）外線消毒技術的這些優（yōu）點徹（chè）底改變（biàn）了以前（qián）人們對其的看法，成為備受世界各國廣泛關注（zhù）的一種給水消毒技術。下麵就（jiù）簡單列舉一些國家或地區目（mù）前應用紫外線給水消毒技術（shù）的情況及有關規定。
美國
如上文所（suǒ）述（shù），為了提高（gāo）生活（huó）用水安全（quán），減少水中有害微生物及（jí）消毒副產物，美國在2002年頒（bān）布（bù）了增強地表（biǎo）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”）。LT2ESWTR適用於所有受地表水直接影響的地表或（huò）地下水（shuǐ）源公共給水係統（Public Water Systems）。同（tóng）時，為了保證紫外線消毒係統的處理效果，USEPA針對Giardia、Cryptosporidium和病毒的去除效率規定了消毒 係統中應達到的（de）最小紫外線（xiàn）通量的（de）要求。
1．對於過濾係（xì）統，在滿足IESWTR和LT1ESWTR的基礎上，需額外達到的去除率；
2．對於非過濾係統，至少需達到的去除率（lǜ）；
3．運行年度均值（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（jun1）值（locationsal Running Annual Averages）；
6．Stage 2分Stage 2A和（hé）2B兩個階段實（shí）施；Stage 2實（shí）施時，Stage 1的條件也必須同時滿足。
Stage 2 D/DBPR主（zhǔ）要針對那些應用化學藥劑消毒的或者水中（zhōng）含（hán）有殘留消毒劑的地表（biǎo）或地下水源公有給（gěi）水係（xì）統（community water systems）或永久性私有給水係（xì）統（tǒng）（nontransient noncommunity water systems），分（fèn）Stage 2A和2B兩個階段實（shí）施。Stage 1隻是規定了在每（měi）個運（yùn）行年度各監測點消（xiāo）毒副產物的總平均值最高濃度標準，也就是說允許個別監測（cè）點（diǎn）處的消（xiāo）毒副產物濃度高於規（guī）定值。但是對於Stage 2來（lái）說，它不僅要求每個運行（háng）年度總的消毒副產物濃度水平不得（dé）超過Stage 1所規定的最高值（zhí），而且還限製了各個（gè）監測點處的副產物濃（nóng）度的最高值水平。由於紫（zǐ）外（wài）線消毒過（guò）程中，並不需要向（xiàng）水中加入任何化學藥劑，因此不（bú）存在出水中（zhōng）含有殘 留消毒劑的問題。另外，在目前的大量研究中，還（hái）沒有發現紫外線消毒過程可以產生（shēng）有害的消毒副（fù）產物。因此，Stage 2對消毒副產（chǎn）物及殘留消毒劑濃度嚴格的（de）要求（qiú），使得紫外線消毒技術在美國成（chéng）為備受關注的一（yī）種（zhǒng）給水處理技（jì）術，並且已有（yǒu）多家水處理廠（>800家）改擴建 或新（xīn）建了紫外線消毒係（xì）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（gěi）水處理廠。據2000年美國環境保護署的一項調查（chá）報告，美國正在建 設（shè）幾個大型的紫外線給水消毒係統[24]。另外，在美國紫外線消毒技術還被廣泛的應用（yòng）於汙水（shuǐ）廠二（èr）級處理出水的消毒。
歐洲
在歐洲， 紫外線在給水消毒中的應用具有（yǒu）較長（zhǎng）的曆史（shǐ），因此經驗比較豐富。在1996~1997年間，奧地利和德國（guó）分別頒布了（le）關（guān）於紫外線給水消毒的有（yǒu）關規定（奧地 利：ÖNorm M5873；德（dé）國：DVGW Standard W 294）。它（tā）們都規定了紫外（wài）線給（gěi）水消毒係統的一些特點，並給（gěi）出了關於消毒係（xì）統運行測（cè）試和檢測的程序（xù）和方法。與此同時，在維也納（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（xiàn）給水（shuǐ）消毒係（xì）統處理效果的測試基地，在這些試驗基地可以進行不同操作條件下的（de）生物 劑量（liàng）試驗（Biodosimetry）[9，25]。根據規定（ÖNorm M5873 和（hé） DVGW Standard W 294），給水廠紫外線消毒係統的測試和鑒定工作須在這些測試基地完成。總的來看，歐（ōu）洲各國（guó）對紫外線消毒的一些規定比較類似。下麵以DVGW Standard W 294為例（lì）簡單介紹一下這些規（guī）定的內容。
DVGW Standard W 294針（zhēn）對紫（zǐ）外線給水消毒係統主要做了以下幾方麵內容的規定（dìng）：
支 持材料：主要包括關於紫外燈、燈罩和紫（zǐ）外感應器的詳細材料以（yǐ）及紫外消毒係統的裝配安裝、操作運行、反（fǎn）應器（qì）清洗的程序和（hé）方法等。例（lì）如，材料中必須說明紫外燈 的類型（xíng）、操作電源及輸出的紫外波普；如果是采（cǎi）用多波長的紫外燈（dēng），其紫外光（guāng）波長必須大部分集中在240~290 nm的範（fàn）圍內；對於燈罩，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，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（néng）特（tè）點、感應器探測孔以及石英窗等都（dōu）必須符合規定標準。每個紫外線消毒反應器（qì）必須至少 安裝一個在線紫外（wài）感應器，能（néng）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照來驗證在線感應器的輸出值。如果發現它們輸出值之 間的誤差超出允許範圍，那（nà）麽在線紫外感應器可能需要清洗、校正或者更換（huàn）。每隔15個月，這些紫外感應器需（xū）要重新（xīn）測（cè）試和校正一次。另外，感應器與被檢測紫外 燈之間的距離必（bì）須滿足（zú）以下（xià）條件：感應器對紫外燈輸（shū）出功率（lǜ）的改（gǎi）變（biàn）的敏感度（dù）與對進水紫外透射度（UVT）的敏感度基本一致。
操作（zuò）控製：要求必須連續 不間斷地對進水流量、紫外感應器輸出（chū）結果以及相應的輸出紫外通量進行監測。反應器中的（de）輸出（chū）紫外通量（liàng）必須要高（gāo）於為保證（zhèng）給水消毒安全由生物劑量試驗得出的最低 紫外通量。另外，還應（yīng）有（yǒu）突發事件（如，燈（dēng）管破裂或輸出（chū）紫外通量低於安全值等）的安全保護措施及報警機製（zhì）等。
消毒效果測試（生（shēng）物劑量試 驗）：DVGW Standard W 294 規定（dìng）紫外（wài）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（fǎ）測定反應器的輸出紫外通量，並選定Bacillus Subtilis 孢子作為實（shí）驗過程中的（de）目標微生物。最小輸出紫外通量可以通過降低紫外燈功率（降低約30%）或（huò）者增加進水對紫（zǐ）外線的（de）吸光度（dù）（增加約20%）來確定。另外（wài）， 試驗方法、設備規格以及試（shì）驗（yàn）條（tiáo）件等都作了具體的規定。
據不完全統計，目前歐洲（zhōu）至少有2000多套紫外線消（xiāo）毒係統被用於城市（shì）給水消毒，大部分的 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毒係統開始投入建設和使用。總的來看，紫外（wài）線技術在歐洲國家主要應用於城市給 水、桶/瓶裝水以及商業和（hé）景（jǐng）觀用水（shuǐ）等的消毒處（chù）理中，隻有個別應用於汙水消毒（dú）處理。
其（qí）他國（guó）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（pō）、日本以及台灣等國家和地區也紛紛展開了對紫外線（xiàn）消毒技術的研究和應用（yòng）。目前，加拿大安大略省（Ontario）及魁北克省 （Quebec）正（zhèng）在製定新的城市給水處理標準。這些（xiē）新的標準（zhǔn）參（cān）考了美國LT2ESWTR及德國DVGW Standard W 294的相關內容，對紫外線消毒係統的設計安（ān）裝、運行測（cè）試、管理維護等方麵都作了詳細規定[26]。2000年新西蘭頒布了其（qí）最新版（bǎn）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（yào）求，使得紫外消（xiāo）毒（dú）技術得到（dào）了進一步的（de）重視（shì）。在新西蘭，大 部分（約90%）的紫外線給水消（xiāo）毒設施用於服務人口為1000~1500人左右的城鎮（zhèn）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（wài）線給（gěi）水消毒技術與其（qí）他同（tóng）類處理技術（氯、氯胺、二氧化氯、臭氧消（xiāo）毒等）進行了分析對比（如表5所示），認（rèn）為紫外線是比較 適合中（zhōng）小規（guī）模城市給水處理的（de）一種（zhǒng）消毒技術[28]。

4．目前存（cún）在的問題

紫外線給水（shuǐ）消毒技（jì）術的******缺點就是出水（shuǐ）中沒有殘餘消毒能力。也就是說，紫外線消毒對（duì）出水受到的二次汙 染或者出水中的（de）微生（shēng）物通過自我修（xiū）複機製對被紫外線破環的DNA或RNA進（jìn）行修複等無能為力。目前在紫外線給水消毒（dú）中，常采用的方（fāng）法是在紫外線消毒流程之後 再加入適量氯胺等消（xiāo）毒劑以保持給水管網中的殘餘（yú）消毒量。紫外線消毒對（duì）進水水質要求較高，如（rú）果（guǒ）進水水質差的話，不僅消毒效果將（jiāng）受到重大威脅，而且紫外燈係（xì）統 的工作周期和壽命也要受到影響（xiǎng），可能會出現消毒不（bú）完全或紫（zǐ）外燈（燈罩）結垢、破裂等問題。由於目前給水消毒中應用的主（zhǔ）要是（shì）水銀紫外燈（dēng），因此如果燈管破裂水 銀外漏，也可能會對給水安全造成威脅。對消毒反應器（qì）中的輸出紫外通量的（de）檢測也是（shì）一（yī）個影（yǐng）響紫外線（xiàn）給水消毒的重要問題。從上文中各國的規定可以看到，目前主（zhǔ）要 采用生物計量法來（lái）檢測反應器（qì）中的輸出紫外通量，然而這樣的實驗操作複雜並且需要較長（zhǎng）的時間才能（néng）得到結果，不能及時發現存在（zài）的（de）問題，更不能實現在線實時監 控。另外，目前還沒有一個係統（tǒng）全麵的關於紫外線給水消（xiāo）毒方（fāng）麵的設計規範（fàn）和標準。