紫外(UV)消毒技術的過去、現狀及發展
摘要： 該項評估通過對大量指示微生物和水體毒性的監測，對紫外線消毒和氯消毒的效果進行了比較，并研究了污水水質對紫外線劑量需求的影響。值得說明的是這套系統目前還在良好運行中。
經過二十多年的發展，特潔安(Trojan)技術公司的紫外線（UV）消毒技術已經發展成為取代化學消毒的成熟技術。位于加拿大安大略省倫敦市的特潔安 (Trojan) 公司對紫外線給排水處理技術進行了深入的研究、開發，推動了紫外線技術的發展，為廣泛推廣紫外線消毒的應用做出了重大貢獻。1982年，特潔安 (Trojan) 在安大略省TILLSONBURG污水處理廠安裝了世界上第一套明渠式、模塊化紫外線污水消毒系統。這一創新大大降低了紫外污水消毒成本、使得紫外污水消毒應用靈活、且運行維護簡單方便，從而促進了紫外線消毒技術在污水處理里的應用，目前在全球安裝使用的紫外污水消毒系統中有95%以上采用了特潔安的明渠式和模塊化的創意。加拿大環境部和特潔安公司的技術人員對TILLSONBURG紫外系統的消毒性能、運行和維護進行了長時間的評估。《Water Pollution Control》（1984年7月）雜志也出版了該項目報告和論文，提供了大量重要的資料。該項評估通過對大量指示微生物和水體毒性的監測，對紫外線消毒和氯消毒的效果進行了比較，并研究了污水水質對紫外線劑量需求的影響。值得說明的是這套系統目前還在良好運行中。
通過繼續對這種理想消毒技術的研究，1986年美國環保署（US EPA）將紫外線消毒列入了污水消毒設計手冊并預言：做為逐漸成熟的消毒技術，紫外線消毒取代化學消毒有著巨大的潛力。在當時，已經有52套紫外線消毒系統在污水處理廠中得到應用，65套紫外線污水消毒系統正在設計或建設中。
隨著對化學消毒產生后果認識的提高，公眾已經開始越來越關心與其相關的環境和健康問題，從而推動了紫外線消毒取代化學消毒的進程，F在，作為凈水和污水的一項有效消毒技術，紫外線已處于一個有利的位置。現在在世界各地已有3000多座市政污水處理廠安裝使用了紫外消毒系統。技術的發展、產品的不斷優化和設計改善使得紫外系統能滿足于污水、飲用水和工業用水的處理每一個項目的具體要求。
在開發、應用紫外污水消毒技術方面，北美一直處于這一行業的領導地位，無論是從應用時間還是從應用范圍和規模上。在北美，傳統的化學消毒大大降低了由水中病原體導致的疾病的突發，但是仍然會爆發一些腸胃疾病，只是沒有報道而已。將來，消毒技術和消毒方法將面臨新的致病細菌、病毒和原生動物對人類健康的挑戰。本章主要討論了紫外線技術的最新發展和關于應用紫外線消毒的概況，并以安大略省污水處理廠的情況進行案例說明。
1 介紹
在北美，實際消毒方法的選取取決于公眾的健康、保護水資源和人類的自身環境要求。廣泛地采用加氯消毒，顯著減少了以水做為載體的疾病的爆發，全面提高了人類的健康水平。但同時化學消毒也帶來了嚴重的問題，例如：運輸、儲存和使用危險的化學物品，化學物質對環境的負面影響，水體的毒性（如：余氯），有機氯的潛在危險（三氯甲烷和鹵乙酸等）。另外很多病毒和原生動物（如：隱孢子蟲）對氯有抗藥性。
從1878年人類發現太陽光中紫外線的殺菌作用以來，人們對紫外線在飲用水和污水消毒方面進行了研究。過去的二十多年里，紫外線技術有了顯著的進步，成本也大大降低。特潔安公司將紫外消毒技術發展成一項成熟可靠的技術，市場占有率達70%多。
2 過去的成就
安大略省水資源委員會（OWRC）于1965年和1969年分別對紫外線在HUMBER河水的殺菌性能進行了評估。通過對污水和含有氯化鐵自來水混合溶液的試驗，證實了紫外線完全可以滅活大腸桿菌，并產生大腸桿菌吞噬體。研究顯示色度、濁度和固體懸浮物的增加將直接影響消毒效果。
在BURLINGDON市，加拿大內陸水中心對紫外線取代化學消毒非常感興趣。1975年OLIVER和COSROVE（1975）在實驗室對HUMITTON和OAKVILLE污水處理廠的二級處理的污水消毒進行了模擬實驗評估。接著的研究是，OLIVER和CAREY（1975）對流量在9L到90L/分鐘的污水，經過低壓紫外燈進行測試，觀察到紫外線對紅鱒魚沒有毒性，而氯則有毒性。
TONELLI和HO（1978年）對紫外線進行了評估，研究表明低劑量的紫外線對二級處理排放的污水消毒是有效的殺毒劑，不會產生有害副產物。研究還表明紫外線消毒的主要優勢在于：消毒時間短，費用上比氯消毒/脫氯方式有競爭力。
1979年在MISSISSAUGA由于火車出軌引起氯氣的泄露，導致了240,000人的撤離。從此，人們開始關心安全問題，并加強尋找其他消毒方法。
安大略省環境部對這種新型的消毒技術表示持續的興趣。1982年HO（1982）在NEWMARKET進行了為期8個月的研究，處理過程包括：活性污泥法和在沙濾后加氯化鐵除磷工藝；紫外線消毒中試由16根同軸密封低壓紫外燈構成，每根燈管都由石英管保護，紫外燈排列和污水水流方向垂直；管壁每24小時進行手動清潔；沒有計算紫外線劑量。大腸桿菌總數指標的幾何平均數要小于2500/100ml，這個指標基于10個試樣，其中85%的大腸桿菌總數要小于5000/100ml，用16根燈管殺菌的效果能達到99.97%。紫外線消毒的費用估計是加氯/脫氯的1.2-1.3倍，是臭氧和二氧化氯消毒的一半。
1984年HO和BOHM（1984）在RICHMOND HILL WPCP經過6個月的研究，繼續對紫外線消毒進行評估。二級處理污水經過常規的活性污泥法、加氯化鐵除磷再流經紫外線進行中試。通過增加導流板和分配管來改變16根燈的中試系統。紫外線劑量為25mWs/cm2 時，大腸桿菌的總數在200到500/100ml。劑量為50mWs/cm2時，大腸桿菌的減少沒有明顯提高。在實驗中采用二級處理污水和一級處理污水相混合來模擬一級混合污水的水質，二級污水中固體顆粒所含鐵的濃度較高，要達到大腸桿菌指標時，需要較高的紫外線劑量（表1）。鐵濃度對紫外線劑量的影響要高于一級混合污水中高TSS濃度的影響。實驗中每8小時手動清潔石英管壁。
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但在當時，紫外線系統僅在飲用水處理中有所應用，而且當時普遍認為紫外線僅僅對殺死細菌、病毒有效，而賈第蟲則具有抗紫外性（RICE，1981）。后來對隱孢子蟲也有類似的結論，由于發現滅活原生動物需要較高的紫外劑量，通常認為紫外線不適合在這方面的應用。所以TOBIN于1983年建議在UV消毒處理之前應先濾去胞囊。15年后新的實驗研究表明，當初的分析方法低估了紫外線對胞囊傳染性的真正作用（CLANCY，1998，FINCH，1999，LINDEN，1999）。這些新的研究結果表明實際上用很低的紫外劑量就可對賈第蟲和隱孢子蟲進行滅活。受到這些新研究發現的推動，美國環保署正在制定新的地表水和地下水處理規則，新的標準中消毒要求更為嚴格并增加隱孢子蟲做為指標微生物之一，與此同時還即將出臺更為嚴格的消毒副產物標準。美國環保署的有關技術經濟評估表明紫外線消毒比加氯消毒和臭氧消毒可以更為經濟有效地控制這些原生動物，且不會產生消毒副產物。預計這些新標準的實施將使紫外線消毒技術在自來水廠中得到大規模的應用。
安大略省環境部MOE繼續試驗紫外線對廢水消毒的效果。1982年BOHM和HO對8家污水處理廠的二級和三級污水進行了研究（表2）。污水經過6只Teflon管子，這些管子由12只低壓燈和反射鏡包圍著，最大流量為190L/分鐘（50GPM US）。
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通過對被滅活的總大腸菌（TC）、糞大腸菌（FC）、大腸桿菌（E.coli）、糞鏈球菌和沙門氏菌數量來估計紫外線的劑量需求。
他們的結論是：對二級和三級污水采用紫外消毒投資效益高，且當紫外線劑量在17到58mWs/cm2的范圍時，能達到＜2500TC/100ml的消毒指標，實驗發現紫外線能有效地降低所有測試微生物含量。由于紫外線穿透率不是影響消毒的唯一參數，他們建議進行進一步地研究，來探明TSS和粒徑對消毒的影響。
1982年在安大略省TILLSONBURG安裝了第一套完整的紫外線系統—TROJAN UV2000系統，該系統也是第一套應用明渠式模塊化設計的紫外消毒系統并采用了低壓紫外燈。TILLSONBURG 污水處理廠采用活性污泥法工藝。紫外系統由4組紫外燈模塊組成，安裝在渠道的后面，這些研究直接提供了紫外線消毒與加氯消毒效果的比較。通過對污水的測試，得出出水平均紫外穿透率為77%，TSS小于10mg/L。
對接受水體的靜態實驗沒有發現任何光修復現象。3小時內也沒有發現暗修復。紫外線處理污水48小時以上，對紅鱒魚都沒有致命影響，而加氯消毒24小時內，紅鱒魚就全部死亡，7小時內死亡率為50%。1984年，WHITBY的研究表明紫外線比加氯消毒能更有效地達到消毒指標（表3），紫外線處理污水對環境沒有毒性。論文研究也表明：隨著懸浮物的增加，紫外線的需求劑量也相應增加。
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1984年美國環保署（US EPA）報道了52套紫外線消毒裝置，另外35個項目正在設計中，30個項目正在建造中。其中TILLSONBURG已經安裝使用了加拿大的設備，COLLINGWOOD作為一個建設項目。到1992年，紫外線污水消毒設備的數量已增加到424套（EPA，1992）。
1993年安大略省關于紫外技術的報告，列出了17個應用紫外線消毒的污水處理廠和8個建議使用的項目（圖1），6個項目處理后的二級污水的TSS小于5mg/L。消毒程度隨不同的地點變化而變化。要求的處理標準有：糞大腸菌（FC)為20/100ml、40/100ml和200/100ml（11/17的處理廠），大腸桿菌（E .coli）為150-200/100ml（4/17的處理廠）或總TC為200/100ml（2/17的處理廠）。9/17的處理廠需要連續消毒，8/17的處理廠需要季節性消毒。處理廠消毒指標的幾何平均值在1-210/100ml之間，17個污水處理廠的總設計流量為167000m3/d。
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表4匯編了MOE1997年的數據，這些數據來自于安大略省市政污水處理廠的實踐結果（HAWLEY，1999）。污水處理廠總設計流量從167000 m3/d增加到700000 m3/d。
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3 紫外技術的現狀
紫外線消毒技術在北美已經被廣泛接受，并成為取代化學消毒的技術。1999年Trojan的科學家調查表明：在安大略省城市污水紫外線消毒裝置增加到104套。在加拿大，一些新建的污水處理廠和一些擴建的污水處理廠都選用了紫外線消毒，在美國由于氯氣的儲藏、運輸的規章變化也有類似的趨勢。統一防火條例要求抽氯裝置以應付氯氣的意外泄露，現場儲氯超過1000磅的污水廠需要實施處理意外事故的危險管理方案（RMP）。排污許可證包含了對水中余氯的限制，常常導致最終要進行脫氯處理，大大增加了加氯消毒的成本。
1982年投入使用的TILLSONBURG 紫外設備仍在良好運行并能達到消毒指標。由于紫外線消毒技術在過去的20年時間里不斷發展完善，我們現在可以提供先進高效的紫外燈和電子鎮流器、自動清洗系統和完善的控制系統。紫外消毒系統可以設計應用在一級處理、二級處理和三級處理污水中滿足相應的消毒標準，也可以在標準更為嚴格的回用水以及敏感的受納水體中應用。紫外線目前已被廣泛應用在制藥、食品、電子工業以及市政污水和飲用水的消毒中。紫外線在下水道溢流混合（CSO）中的應用，AVERILL（1998）經過3年的研究，對在紫外線消毒之前采用高比率的物化法預處理下水道益流混合（CSO）進行了評估。
設備的新設計和改進提高了設備的可靠性，降低了維護時間和要求。燈的型號各不相同，例如：（常規）低壓（低強）燈、低壓高強燈、中壓（高強）燈。這些燈被水平或垂直地安裝在明渠或封閉的渠道中，燈的排列與水流呈平行或垂直。新的設計包括人工化學清洗燈管和全自動機械加化學式清洗燈管的清洗選擇，實際運行表明所有紫外系統燈管都需要用清洗劑進行化學清洗，而選擇合適的清洗劑相當重要。先進的控制可以調節運行功率來適應水質和水量的變化。在線監測可用來監視UV的穿透率、濁度、燈的強度和流量。
常規的低壓紫外燈系統只適合于小型處理廠或是低流量的應用。高強紫外燈和自動清潔系統的引進，只需要較小的安裝空間和占地，就可以在大流量的處理廠中應用。例如：EDMONTON GOLD BAR污水處理廠，最大流量為58.8萬噸/天（中壓燈系統）。在安大略省的GREENWAY和WINDSOR污水處理廠的兩套大型紫外線裝置，最大處理量分別為：30.4萬噸/天（中壓燈系統）和12.5萬噸/天（中壓燈系統）。除此之外，中壓（高強）燈還適合于低質污水（如一級排放，一級化學強化排放以及CSO）的消毒處理。目前，TORONTO處理廠正在對3種紫外線技術進行比較研究。
由其在世界各地安裝運行的2600多個市政污/廢水廠中紫外消毒系統所積累的經驗、數據以及過去20多年里的大量科研成果使Trojan成為行業內真正掌握復雜的污/廢水紫外消毒技術的制造廠家。其技術實力得到國際給排水工程界的信賴和認同。對于常規處理排放的污/廢水，Trojan不需做小型實驗來決定紫外消毒的可行性和紫外劑量要求，其25年來所積累的數據庫和最基本的污水水質參數（如紫外穿透率，TSS和顆粒尺寸）相結合即可提供足夠的信息對排放污水進行綜合估計并依此設計出相應的紫外消毒系統。
4 紫外消毒技術的未來
在加拿大和美國，加氯消毒被紫外線消毒替代已經成為趨勢。類似于1999年國家污水報表之類的環境報告將繼續宣傳提倡用紫外線消毒替代化學消毒，即更好的污/廢水處理技術。使用瓶裝水和住宅用水處理設備的增加，表明公眾支持由化學消毒轉向更環保的紫外消毒。
隨著人口密度的增加，需要提供更多的市政用水。有限的水供給和人口增長的壓力，需要使用更多的地表水。這些水需要額外的處理，以保證安全無傳染疾病。在北美，已有幾起由于水中賈第蟲或隱孢子囊蟲引起的疾病爆發，被歸因為市政自來水廠的加氯消毒。例如：VICTORIA和KELOWNA給水中，常規的加氯消毒不能有效的滅活這些原生動物。美國地表水處理法規中規定，必須除去或滅活3log的賈第蟲，4log的病毒，將來還包括4log的隱孢子蟲；由于氯對隱孢子蟲的效果不好，這些法規的實施將要求現有水廠使用過濾和使用如UV或/和臭氧的附加消毒工藝，而新水廠則需使用過濾和多級組合式消毒工藝，即多屏障消毒工藝（兩種以上的消毒技術結合起來使用）。美國新的關于消毒/消毒副產物及其地表水的法規將影響北美及歐洲的飲用水處理。
北美在地下水中發現了病毒，這種曾經認為是干凈的水也需要進行消毒，而累積的氯導致水的味道、顏色的改變，使用戶難以接受。在這方面紫外線是最理想的消毒方法；F盧地區對紫外線消毒設備進行了研究，安裝了一套低壓紫外線系統作為多級處理裝置來處理井水，然后與處理過的地表水混合使用。
1999年美國環保署（EPA）召開了一次紫外技術研討會，來評估關于紫外線對原生動物作用的一些最新研究成果（CLANCY，1999，FINCH，1999，LINDEN，1999）。其中的一項研究是在MANNHEIM的地表水處理中進行的，結論是：低劑量的紫外線(小于10mWs/cm2)，即能有效地滅活隱孢子蟲和賈第蟲，低壓和中壓紫外燈對原生動物的效果一樣。幾年前，作為一種經濟可靠的飲用水消毒技術，紫外線在歐洲即被認可。現在美國環保署（EPA）認為紫外線對滅活隱孢子蟲和賈第蟲是最有效可行的技術，這徹底改變了人們以前的看法：即只有過濾和臭氧消毒才可以對飲用水中的原生動物進行有效地處理。
5 結論
Trojan公司的給排水紫外消毒技術已發展成為成熟可靠的消毒技術.紫外線消毒技術將繼續取代化學消毒在給排水處理中得到廣泛應用，它可以確保安全，保護環境、生態和人類健康.紫外線對滅活病原性細菌、病毒和原生動物（隱孢子蟲、賈第蟲）是投資效益高的技術.
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