實際上，現(xiàn)代紫外線消毒理論和技術(shù)經(jīng)過近40年的發(fā)展，已經(jīng)成為一項全世界普遍認可、非常成熟和有效的工程應(yīng)用技術(shù)。對某紫外設(shè)備廠家生產(chǎn)的紫外設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在國內(nèi)500多個安裝運行其設(shè)備的污水廠現(xiàn)場中，曾經(jīng)有50多個出現(xiàn)過大腸菌出水不合格的情況，其中由于紫外設(shè)備無法滿足進水水質(zhì)消毒需求的情況只有2個，而絕大部分的不合格都是設(shè)備使用維護不當(dāng)或者大腸菌檢測操作不規(guī)范造成的。如果不加分析就簡單地否定這一環(huán)境友好、低碳環(huán)保的技術(shù)，進而因噎廢食，顯然不是科學(xué)的態(tài)度和方法，也不利于技術(shù)的進步。通過調(diào)研目前國內(nèi)污水處理中紫外線消毒技術(shù)的應(yīng)用情況，總結(jié)該技術(shù)在污水處理中得以有效應(yīng)用的制約因素主要包括以下方面。

在紫外消毒設(shè)備不能滿足出水達標(biāo)要求的污水廠中，一個重要的原因就是紫外設(shè)備所能實現(xiàn)的紫外照射劑量偏低，不滿足消毒目標(biāo)要求。導(dǎo)致這個情況發(fā)生的原因是一些紫外設(shè)備廠家不知道如何計算設(shè)備的紫外劑量，也不對所生產(chǎn)設(shè)備的紫外劑量進行檢測，或者出于降低設(shè)備造價的目的在設(shè)備劑量上缺斤短兩。一般來說，在同等處理水量下，水質(zhì)越差需要的紫外設(shè)備規(guī)模越大，但一些設(shè)備廠家不了解水質(zhì)對紫外設(shè)備劑量與規(guī)模的影響，處理不同水質(zhì)時仍只是按設(shè)備的處理流量來簡單放大或縮小設(shè)備規(guī)模，導(dǎo)致結(jié)果無法達標(biāo)。另外，有些設(shè)備水位控制器設(shè)計的問題造成明渠中水位不當(dāng)導(dǎo)致消毒短路而無法達標(biāo)。紫外消毒設(shè)備的劑量多少與計算方法是紫外消毒的核心問題，因為劑量是判斷紫外消毒設(shè)備及方案是否可以達標(biāo)的唯一參數(shù)，同時它與紫外設(shè)備的規(guī)模及價格息息相關(guān)。

1.1.2 缺少可靠的清洗系統(tǒng)

另一常見的導(dǎo)致設(shè)備不達標(biāo)的原因是紫外燈套管的清洗維護效果不好。由于污水水質(zhì)較差，對紫外燈套管的清洗是確保紫外消毒設(shè)備達標(biāo)的一個重要日常維護工作。盡管現(xiàn)在市場上的紫外消毒設(shè)備基本都帶有在線的自動清洗裝置，但清洗效果從原理和實踐看存在差異。即便是使用高效的機械加化學(xué)在線自動清洗方式，若水廠操作人員忘記及時補充清洗液，也可能導(dǎo)致在線清洗系統(tǒng)不能正常發(fā)揮作用，套管結(jié)垢從而影響消毒效果。當(dāng)然也有些污水廠采用的紫外消毒設(shè)備的在線自動清洗裝置本身在原理和實踐上就不可能高效清洗套管表面，清洗效果一般或者較差，最終導(dǎo)致設(shè)備因難以維護和消毒達標(biāo)而廢棄。

除此之外，有些污水廠的紫外燈的技術(shù)選型上選用了錯誤的燈管類型，導(dǎo)致設(shè)備無法使用和達標(biāo)。比如中壓紫外燈技術(shù)由于單支燈管功率太高，燈管運行溫度較高，并不適合污水應(yīng)用，容易使污水中的一些成分在燈管套管表面形成清洗液也難以及時去除的污垢，從而影響設(shè)備達標(biāo)和維護使用。

1.1.3 燈管達到壽命仍在使用

紫外燈的壽命和日常照明燈具的壽命概念不同，日常照明燈具的使用壽命是以燈具是否還可以點亮照明來界定的，而紫外燈的使用壽命則是以設(shè)備廠家質(zhì)保的燈管壽命終點時的紫外輸出能量(即燈管老化系數(shù))來界定。一些污水廠為了節(jié)省運行費用，在紫外燈管壽命早已大大超出質(zhì)保使用壽命時，即紫外燈的紫外輸出能量已經(jīng)老化衰減到不能滿足消毒所需劑量的情況下仍不更換燈管，導(dǎo)致消毒不達標(biāo)。也有用戶在燈管壽命到期更換新燈管時，為了節(jié)省成本只更換部分舊燈管，同樣會造成設(shè)備消毒不達標(biāo)。

1.1.4 取樣和檢測不規(guī)范

大腸桿菌在室溫，特別是在較高室溫且見光環(huán)境下的增長繁殖是幾何級數(shù)級的。污水廠出水中，微生物水樣的取樣、保管、運輸及儲存分析需要遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，比如從現(xiàn)場取得的水樣需要及時放入裝有冰袋的便攜式暗箱中保存并運輸?shù)綄嶒炇姨幹梅治觯绻麑嶒炇也荒芗皶r處置分析水樣，則需要將水樣放入冰箱里保鮮等。一些污水廠內(nèi)實驗室分析人員在大腸菌培養(yǎng)檢測過程中的不當(dāng)操作也是誤判紫外消毒不達標(biāo)的原因之一。個別地區(qū)也存在著當(dāng)?shù)丨h(huán)保監(jiān)管部門在對污水廠取樣、保管以及后續(xù)處置分析過程中操作不規(guī)范導(dǎo)致誤判的情況。以華南某城市的環(huán)保監(jiān)管部門為例，曾發(fā)現(xiàn)該部門周五前往多個污水廠采樣，但樣品瓶隨意放置在敞開見光的收納籃中，且沒有冰袋等保鮮用品，回到實驗室后水樣放置在常溫的室內(nèi)環(huán)境中，直到周一才對這些水樣進行處置與分析，加大了大腸菌讀數(shù)不達標(biāo)的可能。

現(xiàn)階段，我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)應(yīng)提高對紫外消毒技術(shù)的正確認識和了解，用戶和設(shè)計單位應(yīng)掌握如何判斷一個廠家所提供的紫外消毒設(shè)備及其設(shè)備方案的消毒性能是否能夠滿足工程設(shè)計要求，從而確?？梢再I到合格放心的產(chǎn)品，保護自身利益和公眾安全。

1.2.1 生物驗定劑量

判斷一個設(shè)備廠家提供的紫外消毒設(shè)備方案其消毒性能是否滿足工程的設(shè)計要求，關(guān)鍵是看其方案所能實現(xiàn)的照射到微生物上紫外能量的多少，即紫外劑量是否滿足消毒目標(biāo)的設(shè)計要求。紫外劑量的計算方法很多，其中唯一被世界各地包括我國法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)制定和執(zhí)行部門認可與接受的就是生物驗定劑量方法。這個方法是在一定測試條件(工況)下，通過對微生物進出紫外消毒設(shè)備前后存量濃度的變化反推,得到設(shè)備在該測試條件下能夠傳遞的有效紫外劑量(即設(shè)備的實際劑量)，然后改變測試條件(通常是設(shè)備處理的流量、水質(zhì))，即可得到該設(shè)備在不同工況下的紫外劑量曲線，如圖1所示。

圖1 紫外設(shè)備生物驗定劑量曲線

該曲線的橫坐標(biāo)一般為單臺設(shè)備(常見于管道式紫外設(shè)備)或平均到每支燈管(常見于明渠式紫外設(shè)備)處理的流量，縱坐標(biāo)是該設(shè)備可以實現(xiàn)的有效紫外劑量，即生物驗定劑量，UVT為處理水體的紫外透光率。設(shè)備制造商應(yīng)該用這些設(shè)備曲線去計算其設(shè)備方案的紫外劑量，最終體現(xiàn)為方案中的設(shè)備規(guī)模(設(shè)備臺數(shù)、燈管數(shù)量，最終為設(shè)備中燈管的總裝機功率)，劑量越高，設(shè)備規(guī)模也越大。用戶和設(shè)計單位只需讓廠家出具紫外消毒設(shè)備的生物驗定劑量報告和劑量曲線,就可以簡單快速地核算其所報設(shè)備方案的紫外劑量是否滿足消毒目標(biāo)要求。為了保證公眾安全，世界各地的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)制定部門一般都要求設(shè)備的生物驗定劑量測試應(yīng)由行業(yè)內(nèi)比較公認的有資質(zhì)或權(quán)威的獨立第三方按行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行。世界范圍內(nèi)主要的驗證體系與規(guī)范包括美國環(huán)保署的飲用水紫外消毒設(shè)備EPA驗證、德國DVGW的飲用水紫外消毒設(shè)備驗證、奧地利的?NORM飲用水紫外消毒設(shè)備驗證等，我國也發(fā)布了《紫外線水消毒設(shè)備 紫外線劑量測試方法》國家標(biāo)準(zhǔn)，清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院和山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測中心已建立了相關(guān)的檢測能力，但不少紫外設(shè)備廠家都沒有做過相關(guān)測試。因此，用戶如果想買到合格的紫外消毒設(shè)備，就應(yīng)該要求紫外設(shè)備廠家提供由有資質(zhì)或經(jīng)驗的獨立第三方用這些廠家的消毒設(shè)備按照行業(yè)規(guī)范檢測得到的設(shè)備生物驗定劑量報告和劑量曲線，沒有報告的設(shè)備廠家，其劑量難以得到保證。

1.2.2 總裝機功率和消毒達標(biāo)擔(dān)保時效

紫外消毒設(shè)備能照射到微生物上的紫外劑量是衡量設(shè)備是否可以消毒達標(biāo)的唯一參數(shù)，但在用戶和設(shè)計單位對廠家設(shè)備的生物驗定劑量報告的真實性和準(zhǔn)確性不太確定的情況下，也可以從廠家的設(shè)備方案中燈管的總裝機功率上看出端倪。在燈管類型和消毒器形制相同的條件下，各個廠家的紫外消毒設(shè)備方案如果劑量相同或相近，其方案的燈管總功率不應(yīng)該相差太懸殊。如果某個廠家所報設(shè)備方案的燈管裝機功率與行業(yè)內(nèi)最好的設(shè)備廠家設(shè)備方案的功率相比存在差異，甚至少20%以上，那基本可以認為該廠家的設(shè)備方案的消毒劑量無法達到要求。盡管紫外消毒設(shè)備的功率可以作為一定程度的參考，但并不完全建議用它來衡量紫外消毒設(shè)備的消毒性能，其原因是每個廠家設(shè)備的系統(tǒng)效率不同，有些技術(shù)較好的廠家其設(shè)備的系統(tǒng)效率較高，可以做到用較少的紫外燈裝機功率與能耗達到相同的消毒效果。事實上，即使兩家紫外設(shè)備廠家用同樣的燈管，其設(shè)備的消毒效果也完全可能是不一樣的，甚至相差較大。最可靠的判斷方法還是核算紫外設(shè)備廠家所報的消毒設(shè)備方案的有效紫外劑量，即生物驗定劑量，在這一劑量相同的前提下，再去比較評估不同廠家設(shè)備的價格、運行成本(含電耗與燈管更換費用等)以及運維上的便利，才能確保用戶采購到消毒性能可靠同時性價比較高的紫外消毒設(shè)備。還有一些紫外消毒設(shè)備廠家的消毒達標(biāo)擔(dān)保是在設(shè)備調(diào)試驗收結(jié)束后或者現(xiàn)場安裝后18個月失效，這也反映了這些廠家的設(shè)備劑量計算中存在著問題，比如可能沒有充分考慮紫外燈管老化衰減對劑量的影響因素。從保護用戶利益來講，紫外消毒設(shè)備的消毒性能擔(dān)保應(yīng)該是設(shè)備使用壽命全周期內(nèi)終身有效的，這也是用戶在選擇紫外設(shè)備廠家的設(shè)備時應(yīng)該注意的。

飲用水中可能存在著耐氯微生物。除了賈第鞭毛蟲、隱孢子蟲等人們熟知的耐氯微生物外，研究顯示，我國給水廠的出廠水和供水管網(wǎng)上普遍都發(fā)現(xiàn)了諸如鞘氨醇單胞菌、假單胞菌、蠟樣芽孢菌、溶血不動桿菌、紡錘芽孢桿菌、蜂房芽孢桿菌、軍團菌及噬硫菌等耐氯微生物，其中一些耐氯微生物為條件致病菌。如果要對上述耐氯微生物進行有效滅活，需要大大增加氯的CT值，導(dǎo)致氯消毒的不經(jīng)濟性甚至工程上無法實施，而且還會大大增加消毒副產(chǎn)物超標(biāo)的風(fēng)險。嚴(yán)格來說，傳統(tǒng)的單一氯消毒單元模式這個屏障是存在安全漏洞的，而且一旦氯消毒單元出現(xiàn)問題，給水廠中就徹底失去了微生物安全屏障。因此，從生物安全和化學(xué)安全上說，多屏障消毒策略和理念將成為提高供水安全的必由之路。這一理念現(xiàn)在已在北美和歐盟地區(qū)的城市給水廠中被廣泛接受和實踐，而紫外線消毒由于其既可滿足生物安全，又可滿足化學(xué)安全要求，成為聯(lián)合消毒方式中不可或缺的一環(huán)，甚至是關(guān)鍵的一環(huán)。

近年來，多屏障消毒理念和紫外線消毒技術(shù)逐漸得到了我國給水領(lǐng)域的認可和推動，在我國城市給水廠中得到了初步的應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)已經(jīng)有60多家大型給水廠采用了紫外線消毒工藝，處理規(guī)模達到1 000萬m3/d。其中，2009年建成的天津泰達自來水廠三期工程和上海臨江水廠紫外線消毒工藝成為我國最早運行紫外線主消毒工藝的自來水廠，2014年建成通水的北京郭公莊水廠的紫外氯聯(lián)合消毒工藝成為“十二五”國家重大專項的示范工程，2017年建成的拉薩納金水廠采用的紫外線消毒工藝是國產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用規(guī)模最大的工程。

實踐表明，紫外線消毒作為主消毒工藝可以提高水質(zhì)的微生物安全性，可以適當(dāng)降低后續(xù)氯消毒工藝的CT值，在一定程度上降低消毒副產(chǎn)物的生成量和水的毒性效應(yīng)，為保障供水的水質(zhì)安全發(fā)揮積極作用。也有相關(guān)研究表明，紫外線聯(lián)合氯消毒相比較傳統(tǒng)的紫外線消毒，管網(wǎng)水質(zhì)安全性有所提升。

實際應(yīng)用中，相比污水廠用戶，給水廠用戶更重視紫外消毒設(shè)備的消毒性能和品質(zhì)，這也是保證供水安全的需要。在紫外消毒設(shè)備的選型采購方面，除了必須經(jīng)過行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)生物驗定劑量驗證外，我國的涉水批件也是一個需要考慮的重要的認證要求，在一些城市，當(dāng)?shù)氐男l(wèi)生檢疫部門明確要求給水廠使用的涉水設(shè)備和材料具備國內(nèi)的涉水批件才能投產(chǎn)供水。我國新修訂的《室外給水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)中也與時俱進地增加了紫外消毒工藝的有關(guān)內(nèi)容，這對紫外線消毒技術(shù)在我國城市給水廠中的應(yīng)用提供了積極的指導(dǎo)和推動作用。據(jù)了解，目前越來越多的城市正在考慮或設(shè)計飲用水紫外消毒工藝，可以預(yù)見紫外線消毒將會在提高我國城市供水水質(zhì)安全方面發(fā)揮更重要的作用。

紫外線除了可以對水進行消毒處理，也可以通過光解與過氧化氫或其他氧化劑聯(lián)用產(chǎn)生羥基自由基，對水體中的微量有機污染物進行高級氧化處理。羥基自由基是強氧化劑，而且沒有選擇性，與臭氧相比對化學(xué)污染物處理具有較好的廣譜性，產(chǎn)生溴酸鹽等副產(chǎn)物的風(fēng)險低，因此，可以對水體中更多種類的有機污染物進行有效降解，其中包括在給水領(lǐng)域內(nèi)引起廣泛關(guān)注和討論的N-亞硝基二甲胺(NDMA)。NDMA是國外給水處理和再生水處理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中常見的一種目標(biāo)污染物，紫外線高級氧化技術(shù)目前被認為是處理NDMA最為經(jīng)濟有效的技術(shù)和工程手段。此外，紫外線高級氧化技術(shù)對水中的2-甲基異莰醇(2-MIB)和土臭素去除率高達90%，同時可以對水體中多種藻毒素實現(xiàn)99%以上的去除，因此，被認為是飲用水中嗅味和與之相關(guān)的藻毒素控制的有效技術(shù)選擇，特別是其針對季節(jié)性的間歇運行模式。

在國外飲用水和與飲用相關(guān)的再生水處理中，紫外線高級氧化技術(shù)已經(jīng)有很多成功的工程案例，在我國的應(yīng)用尚處于萌芽階段，2020年建成的山東德州的慶云水廠紫外線高級氧化工藝是我國第一個在給水廠應(yīng)用的案例。隨著對水體中新興污染物的認識和關(guān)注度的提高，隨著我國城鎮(zhèn)給水污染物處理向著微量與痕量的趨勢發(fā)展，紫外線高級氧化技術(shù)將會在我國城市飲用水，特別是高品質(zhì)飲用水的處理中發(fā)揮重要作用。

中國知網(wǎng)上有關(guān)紫外消毒主題的國內(nèi)文獻發(fā)表數(shù)量變化趨勢，可以看到每年發(fā)表的紫外文獻數(shù)量大概從1999年起有顯著的躍升，這和紫外線消毒技術(shù)在國內(nèi)城鎮(zhèn)污水處理中的應(yīng)用推廣的開始時間基本吻合。2002年—2003年，有關(guān)紫外消毒技術(shù)的文獻數(shù)量有了較大的飛躍，既為2003年非典疫情期間和后疫情時期紫外消毒技術(shù)在我國城鎮(zhèn)污水廠中的應(yīng)用做了技術(shù)鋪墊，也同時支撐了其應(yīng)用的發(fā)展。經(jīng)過對國內(nèi)紫外線消毒技術(shù)文獻的分析發(fā)現(xiàn)，這些文獻內(nèi)容涵蓋了從紫外消毒的滅活機理、殺菌有效性，到紫外消毒反應(yīng)器設(shè)計、劑量驗證、紫外光強監(jiān)測、工程應(yīng)用和對工程使用的紫外消毒設(shè)備進行運行效果與成本分析等，為廣大用戶與設(shè)計單位認識和了解紫外線水處理技術(shù)提供了支撐。但我國紫外線水處理技術(shù)的研究存在“單打獨斗”的現(xiàn)狀，相互之間缺乏充分的同行交流，這可能與國內(nèi)暫時缺少該專業(yè)領(lǐng)域交流平臺有關(guān)。對此，清華大學(xué)牽頭成立了中國環(huán)保機械行業(yè)協(xié)會紫外線專委會，通過與IUVA簽訂合作備忘錄、組織紫外線技術(shù)國際研討會等活動，增加行業(yè)的國內(nèi)和國際交流，對提升我國的紫外線水處理技術(shù)水平和影響力會大有裨益。

從研究方向方面，新的紫外線高級氧化技術(shù)體系、紫外發(fā)光二極管(UVLED)和準(zhǔn)分子燈等新紫外線光源的應(yīng)用原理等主題將是研究熱點，行業(yè)內(nèi)也非?？释乱淮腔刍?、節(jié)能高效的紫外線水處理系統(tǒng)在實際工程中應(yīng)用的研究，這符合國家的“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的基本方向。

紫外線水處理技術(shù)是一項對環(huán)境、生態(tài)和人類友好的技術(shù)，與化學(xué)消毒方法相比，它也更為低碳，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要價值。這項技術(shù)在我國城鎮(zhèn)污水處理中已得到了廣泛的應(yīng)用，未來在提升我國供水水質(zhì)安全上也將會有一席之地。但我國對紫外線技術(shù)及應(yīng)用的認識和掌握水平還需要提高，特別是廣大用戶和設(shè)計單位需要更為充分地了解紫外線水處理設(shè)備性能的設(shè)計計算依據(jù)和設(shè)備運行中應(yīng)主要注意的問題，從而確保工程上使用的相關(guān)設(shè)備可以滿足工程設(shè)計和生產(chǎn)要求。

從行業(yè)發(fā)展的角度：一是期待所有的設(shè)備制造廠家通過自律來保證用戶利益和公眾安全；二是需要用戶和設(shè)計單位借助第三方檢測評價的手段提升自己對紫外線產(chǎn)品的了解和判斷能力；三是科研機構(gòu)繼續(xù)加強對紫外高級氧化技術(shù)體系、UVLED和準(zhǔn)分子燈等新紫外線光源的應(yīng)用原理等熱點領(lǐng)域的研究，讓紫外線技術(shù)為保護我國的環(huán)境、生態(tài)和人類健康發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

本文來源于《凈水技術(shù)》2023年第3期“大家之言”，原標(biāo)題為《紫外線技術(shù)在我國城鎮(zhèn)給排水處理中應(yīng)用的挑戰(zhàn)和趨勢》，作者為孫文俊1,2,*，呂東明2(1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2.中國環(huán)保機械行業(yè)協(xié)會紫外線專委會，北京 100825)。