實(shí)際上，現代紫外線(xiàn)消毒理論和技術(shù)經(jīng)過(guò)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用技術(shù)。對某紫外設備廠(chǎng)家生產(chǎn)的紫外設備現場(chǎng)應用的統計分析發(fā)現，在國內500多個(gè)安裝運行其設備的污水廠(chǎng)現場(chǎng)中，曾經(jīng)有50多個(gè)出現過(guò)大腸菌出水不合格的情況，其中由于紫外設備無(wú)法滿(mǎn)足進(jìn)水水質(zhì)消毒需求的情況只有2個(gè)，而絕大部分的不合格都是設備使用維護不當或者大腸菌檢測操作不規范造成的。如果不加分析就簡(jiǎn)單地否定這一環(huán)境友好、低碳環(huán)保的技術(shù)，進(jìn)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(jìn)步。通過(guò)調研目前國內污水處理中紫外線(xiàn)消毒技術(shù)的應用情況，總結該技術(shù)在污水處理中得以有效應用的制約因素主要包括以下方面。

在紫外消毒設備不能滿(mǎn)足出水達標要求的污水廠(chǎng)中，一個(gè)重要的原因就是紫外設備所能實(shí)現的紫外照射劑量偏低，不滿(mǎn)足消毒目標要求。導致這個(gè)情況發(fā)生的原因是一些紫外設備廠(chǎng)家不知道如何計算設備的紫外劑量，也不對所生產(chǎn)設備的紫外劑量進(jìn)行檢測，或者出于降低設備造價(jià)的目的在設備劑量上缺斤短兩。一般來(lái)說(shuō)，在同等處理水量下，水質(zhì)越差需要的紫外設備規模越大，但一些設備廠(chǎng)家不了解水質(zhì)對紫外設備劑量與規模的影響，處理不同水質(zhì)時(shí)仍只是按設備的處理流量來(lái)簡(jiǎn)單放大或縮小設備規模，導致結果無(wú)法達標。另外，有些設備水位控制器設計的問(wèn)題造成明渠中水位不當導致消毒短路而無(wú)法達標。紫外消毒設備的劑量多少與計算方法是紫外消毒的核心問(wèn)題，因為劑量是判斷紫外消毒設備及方案是否可以達標的唯一參數，同時(shí)它與紫外設備的規模及價(jià)格息息相關(guān)。

1.1.2 缺少可靠的清洗系統

另一常見(jiàn)的導致設備不達標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備達標的一個(gè)重要日常維護工作。盡管現在市場(chǎng)上的紫外消毒設備基本都帶有在線(xiàn)的自動(dòng)清洗裝置，但清洗效果從原理和實(shí)踐看存在差異。即便是使用高效的機械加化學(xué)在線(xiàn)自動(dòng)清洗方式，若水廠(chǎng)操作人員忘記及時(shí)補充清洗液，也可能導致在線(xiàn)清洗系統不能正常發(fā)揮作用，套管結垢從而影響消毒效果。當然也有些污水廠(chǎng)采用的紫外消毒設備的在線(xiàn)自動(dòng)清洗裝置本身在原理和實(shí)踐上就不可能高效清洗套管表面，清洗效果一般或者較差，最終導致設備因難以維護和消毒達標而廢棄。

除此之外，有些污水廠(chǎng)的紫外燈的技術(shù)選型上選用了錯誤的燈管類(lèi)型，導致設備無(wú)法使用和達標。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(shí)去除的污垢，從而影響設備達標和維護使用。

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(diǎn)亮照明來(lái)界定的，而紫外燈的使用壽命則是以設備廠(chǎng)家質(zhì)保的燈管壽命終點(diǎn)時(shí)的紫外輸出能量(即燈管老化系數)來(lái)界定。一些污水廠(chǎng)為了節省運行費用，在紫外燈管壽命早已大大超出質(zhì)保使用壽命時(shí)，即紫外燈的紫外輸出能量已經(jīng)老化衰減到不能滿(mǎn)足消毒所需劑量的情況下仍不更換燈管，導致消毒不達標。也有用戶(hù)在燈管壽命到期更換新燈管時(shí)，為了節省成本只更換部分舊燈管，同樣會(huì )造成設備消毒不達標。

1.1.4 取樣和檢測不規范

大腸桿菌在室溫，特別是在較高室溫且見(jiàn)光環(huán)境下的增長(cháng)繁殖是幾何級數級的。污水廠(chǎng)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準規范，比如從現場(chǎng)取得的水樣需要及時(shí)放入裝有冰袋的便攜式暗箱中保存并運輸到實(shí)驗室處置分析，如果實(shí)驗室不能及時(shí)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(chǎng)內實(shí)驗室分析人員在大腸菌培養檢測過(guò)程中的不當操作也是誤判紫外消毒不達標的原因之一。個(gè)別地區也存在著(zhù)當地環(huán)保監管部門(mén)在對污水廠(chǎng)取樣、保管以及后續處置分析過(guò)程中操作不規范導致誤判的情況。以華南某城市的環(huán)保監管部門(mén)為例，曾發(fā)現該部門(mén)周五前往多個(gè)污水廠(chǎng)采樣，但樣品瓶隨意放置在敞開(kāi)見(jiàn)光的收納籃中，且沒(méi)有冰袋等保鮮用品，回到實(shí)驗室后水樣放置在常溫的室內環(huán)境中，直到周一才對這些水樣進(jìn)行處置與分析，加大了大腸菌讀數不達標的可能。

現階段，我國城鎮污水處理行業(yè)應提高對紫外消毒技術(shù)的正確認識和了解，用戶(hù)和設計單位應掌握如何判斷一個(gè)廠(chǎng)家所提供的紫外消毒設備及其設備方案的消毒性能是否能夠滿(mǎn)足工程設計要求，從而確?？梢再I(mǎi)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(gè)設備廠(chǎng)家提供的紫外消毒設備方案其消毒性能是否滿(mǎn)足工程的設計要求，關(guān)鍵是看其方案所能實(shí)現的照射到微生物上紫外能量的多少，即紫外劑量是否滿(mǎn)足消毒目標的設計要求。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標準制定和執行部門(mén)認可與接受的就是生物驗定劑量方法。這個(gè)方法是在一定測試條件(工況)下，通過(guò)對微生物進(jìn)出紫外消毒設備前后存量濃度的變化反推,得到設備在該測試條件下能夠傳遞的有效紫外劑量(即設備的實(shí)際劑量)，然后改變測試條件(通常是設備處理的流量、水質(zhì))，即可得到該設備在不同工況下的紫外劑量曲線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 紫外設備生物驗定劑量曲線(xiàn)

該曲線(xiàn)的橫坐標一般為單臺設備(常見(jiàn)于管道式紫外設備)或平均到每支燈管(常見(jiàn)于明渠式紫外設備)處理的流量，縱坐標是該設備可以實(shí)現的有效紫外劑量，即生物驗定劑量，UVT為處理水體的紫外透光率。設備制造商應該用這些設備曲線(xiàn)去計算其設備方案的紫外劑量，最終體現為方案中的設備規模(設備臺數、燈管數量，最終為設備中燈管的總裝機功率)，劑量越高，設備規模也越大。用戶(hù)和設計單位只需讓廠(chǎng)家出具紫外消毒設備的生物驗定劑量報告和劑量曲線(xiàn),就可以簡(jiǎn)單快速地核算其所報設備方案的紫外劑量是否滿(mǎn)足消毒目標要求。為了保證公眾安全，世界各地的法規和標準制定部門(mén)一般都要求設備的生物驗定劑量測試應由行業(yè)內比較公認的有資質(zhì)或權威的獨立第三方按行業(yè)相關(guān)標準進(jìn)行。世界范圍內主要的驗證體系與規范包括美國環(huán)保署的飲用水紫外消毒設備EPA驗證、德國DVGW的飲用水紫外消毒設備驗證、奧地利的?NORM飲用水紫外消毒設備驗證等，我國也發(fā)布了《紫外線(xiàn)水消毒設備 紫外線(xiàn)劑量測試方法》國家標準，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)監測中心已建立了相關(guān)的檢測能力，但不少紫外設備廠(chǎng)家都沒(méi)有做過(guò)相關(guān)測試。因此，用戶(hù)如果想買(mǎi)到合格的紫外消毒設備，就應該要求紫外設備廠(chǎng)家提供由有資質(zhì)或經(jīng)驗的獨立第三方用這些廠(chǎng)家的消毒設備按照行業(yè)規范檢測得到的設備生物驗定劑量報告和劑量曲線(xiàn)，沒(méi)有報告的設備廠(chǎng)家，其劑量難以得到保證。

1.2.2 總裝機功率和消毒達標擔保時(shí)效

紫外消毒設備能照射到微生物上的紫外劑量是衡量設備是否可以消毒達標的唯一參數，但在用戶(hù)和設計單位對廠(chǎng)家設備的生物驗定劑量報告的真實(shí)性和準確性不太確定的情況下，也可以從廠(chǎng)家的設備方案中燈管的總裝機功率上看出端倪。在燈管類(lèi)型和消毒器形制相同的條件下，各個(gè)廠(chǎng)家的紫外消毒設備方案如果劑量相同或相近，其方案的燈管總功率不應該相差太懸殊。如果某個(gè)廠(chǎng)家所報設備方案的燈管裝機功率與行業(yè)內最好的設備廠(chǎng)家設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(chǎng)家的設備方案的消毒劑量無(wú)法達到要求。盡管紫外消毒設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(lái)衡量紫外消毒設備的消毒性能，其原因是每個(gè)廠(chǎng)家設備的系統效率不同，有些技術(shù)較好的廠(chǎng)家其設備的系統效率較高，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(shí)上，即使兩家紫外設備廠(chǎng)家用同樣的燈管，其設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備廠(chǎng)家所報的消毒設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(chǎng)家設備的價(jià)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(hù)采購到消毒性能可靠同時(shí)性?xún)r(jià)比較高的紫外消毒設備。還有一些紫外消毒設備廠(chǎng)家的消毒達標擔保是在設備調試驗收結束后或者現場(chǎng)安裝后18個(gè)月失效，這也反映了這些廠(chǎng)家的設備劑量計算中存在著(zhù)問(wèn)題，比如可能沒(méi)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(hù)利益來(lái)講，紫外消毒設備的消毒性能擔保應該是設備使用壽命全周期內終身有效的，這也是用戶(hù)在選擇紫外設備廠(chǎng)家的設備時(shí)應該注意的。

飲用水中可能存在著(zhù)耐氯微生物。除了賈第鞭毛蟲(chóng)、隱孢子蟲(chóng)等人們熟知的耐氯微生物外，研究顯示，我國給水廠(chǎng)的出廠(chǎng)水和供水管網(wǎng)上普遍都發(fā)現了諸如鞘氨醇單胞菌、假單胞菌、蠟樣芽孢菌、溶血不動(dòng)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(jìn)行有效滅活，需要大大增加氯的CT值，導致氯消毒的不經(jīng)濟性甚至工程上無(wú)法實(shí)施，而且還會(huì )大大增加消毒副產(chǎn)物超標的風(fēng)險。嚴格來(lái)說(shuō)，傳統的單一氯消毒單元模式這個(gè)屏障是存在安全漏洞的，而且一旦氯消毒單元出現問(wèn)題，給水廠(chǎng)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(shuō)，多屏障消毒策略和理念將成為提高供水安全的必由之路。這一理念現在已在北美和歐盟地區的城市給水廠(chǎng)中被廣泛接受和實(shí)踐，而紫外線(xiàn)消毒由于其既可滿(mǎn)足生物安全，又可滿(mǎn)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(lái)，多屏障消毒理念和紫外線(xiàn)消毒技術(shù)逐漸得到了我國給水領(lǐng)域的認可和推動(dòng)，在我國城市給水廠(chǎng)中得到了初步的應用。據不完全統計，目前國內已經(jīng)有60多家大型給水廠(chǎng)采用了紫外線(xiàn)消毒工藝，處理規模達到1 000萬(wàn)m3/d。其中，2009年建成的天津泰達自來(lái)水廠(chǎng)三期工程和上海臨江水廠(chǎng)紫外線(xiàn)消毒工藝成為我國最早運行紫外線(xiàn)主消毒工藝的自來(lái)水廠(chǎng)，2014年建成通水的北京郭公莊水廠(chǎng)的紫外氯聯(lián)合消毒工藝成為“十二五”國家重大專(zhuān)項的示范工程，2017年建成的拉薩納金水廠(chǎng)采用的紫外線(xiàn)消毒工藝是國產(chǎn)設備應用規模最大的工程。

實(shí)踐表明，紫外線(xiàn)消毒作為主消毒工藝可以提高水質(zhì)的微生物安全性，可以適當降低后續氯消毒工藝的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，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(xiàn)聯(lián)合氯消毒相比較傳統的紫外線(xiàn)消毒，管網(wǎng)水質(zhì)安全性有所提升。

實(shí)際應用中，相比污水廠(chǎng)用戶(hù)，給水廠(chǎng)用戶(hù)更重視紫外消毒設備的消毒性能和品質(zhì)，這也是保證供水安全的需要。在紫外消毒設備的選型采購方面，除了必須經(jīng)過(guò)行業(yè)的標準生物驗定劑量驗證外，我國的涉水批件也是一個(gè)需要考慮的重要的認證要求，在一些城市，當地的衛生檢疫部門(mén)明確要求給水廠(chǎng)使用的涉水設備和材料具備國內的涉水批件才能投產(chǎn)供水。我國新修訂的《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)中也與時(shí)俱進(jìn)地增加了紫外消毒工藝的有關(guān)內容，這對紫外線(xiàn)消毒技術(shù)在我國城市給水廠(chǎng)中的應用提供了積極的指導和推動(dòng)作用。據了解，目前越來(lái)越多的城市正在考慮或設計飲用水紫外消毒工藝，可以預見(jiàn)紫外線(xiàn)消毒將會(huì )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(xiàn)除了可以對水進(jìn)行消毒處理，也可以通過(guò)光解與過(guò)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(jìn)行高級氧化處理。羥基自由基是強氧化劑，而且沒(méi)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(lèi)的有機污染物進(jìn)行有效降解，其中包括在給水領(lǐng)域內引起廣泛關(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)標準中常見(jiàn)的一種目標污染物，紫外線(xiàn)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(xiàn)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(shí)可以對水體中多種藻毒素實(shí)現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(xiàn)高級氧化技術(shù)已經(jīng)有很多成功的工程案例，在我國的應用尚處于萌芽階段，2020年建成的山東德州的慶云水廠(chǎng)紫外線(xiàn)高級氧化工藝是我國第一個(gè)在給水廠(chǎng)應用的案例。隨著(zhù)對水體中新興污染物的認識和關(guān)注度的提高，隨著(zhù)我國城鎮給水污染物處理向著(zhù)微量與痕量的趨勢發(fā)展，紫外線(xiàn)高級氧化技術(shù)將會(huì )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文獻發(fā)表數量變化趨勢，可以看到每年發(fā)表的紫外文獻數量大概從1999年起有顯著(zhù)的躍升，這和紫外線(xiàn)消毒技術(shù)在國內城鎮污水處理中的應用推廣的開(kāi)始時(shí)間基本吻合。2002年—2003年，有關(guān)紫外消毒技術(shù)的文獻數量有了較大的飛躍，既為2003年非典疫情期間和后疫情時(shí)期紫外消毒技術(shù)在我國城鎮污水廠(chǎng)中的應用做了技術(shù)鋪墊，也同時(shí)支撐了其應用的發(fā)展。經(jīng)過(guò)對國內紫外線(xiàn)消毒技術(shù)文獻的分析發(fā)現，這些文獻內容涵蓋了從紫外消毒的滅活機理、殺菌有效性，到紫外消毒反應器設計、劑量驗證、紫外光強監測、工程應用和對工程使用的紫外消毒設備進(jìn)行運行效果與成本分析等，為廣大用戶(hù)與設計單位認識和了解紫外線(xiàn)水處理技術(shù)提供了支撐。但我國紫外線(xiàn)水處理技術(shù)的研究存在“單打獨斗”的現狀，相互之間缺乏充分的同行交流，這可能與國內暫時(shí)缺少該專(zhuān)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(huì )紫外線(xiàn)專(zhuān)委會(huì )，通過(guò)與IUVA簽訂合作備忘錄、組織紫外線(xiàn)技術(shù)國際研討會(huì )等活動(dòng)，增加行業(yè)的國內和國際交流，對提升我國的紫外線(xiàn)水處理技術(shù)水平和影響力會(huì )大有裨益。

從研究方向方面，新的紫外線(xiàn)高級氧化技術(shù)體系、紫外發(fā)光二極管(UVLED)和準分子燈等新紫外線(xiàn)光源的應用原理等主題將是研究熱點(diǎn)，行業(yè)內也非?？释乱淮腔刍?、節能高效的紫外線(xiàn)水處理系統在實(shí)際工程中應用的研究，這符合國家的“雙碳”戰略目標的基本方向。

紫外線(xiàn)水處理技術(shù)是一項對環(huán)境、生態(tài)和人類(lèi)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(lèi)社會(huì )的可持續發(fā)展具有重要價(jià)值。這項技術(shù)在我國城鎮污水處理中已得到了廣泛的應用，未來(lái)在提升我國供水水質(zhì)安全上也將會(huì )有一席之地。但我國對紫外線(xiàn)技術(shù)及應用的認識和掌握水平還需要提高，特別是廣大用戶(hù)和設計單位需要更為充分地了解紫外線(xiàn)水處理設備性能的設計計算依據和設備運行中應主要注意的問(wèn)題，從而確保工程上使用的相關(guān)設備可以滿(mǎn)足工程設計和生產(chǎn)要求。

從行業(yè)發(fā)展的角度：一是期待所有的設備制造廠(chǎng)家通過(guò)自律來(lái)保證用戶(hù)利益和公眾安全；二是需要用戶(hù)和設計單位借助第三方檢測評價(jià)的手段提升自己對紫外線(xiàn)產(chǎn)品的了解和判斷能力；三是科研機構繼續加強對紫外高級氧化技術(shù)體系、UVLED和準分子燈等新紫外線(xiàn)光源的應用原理等熱點(diǎn)領(lǐng)域的研究，讓紫外線(xiàn)技術(shù)為保護我國的環(huán)境、生態(tài)和人類(lèi)健康發(fā)揮其應有的作用。

本文來(lái)源于《凈水技術(shù)》2023年第3期“大家之言”，原標題為《紫外線(xiàn)技術(shù)在我國城鎮給排水處理中應用的挑戰和趨勢》，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(huì )紫外線(xiàn)專(zhuān)委會(huì )，北京 100825)。