紫外（UV）消毒技术的过去、现状及未来

吕东明 肖卫星
(加拿大特洁安(Trojan)技术公司  深圳海川实业股份有限公司)

摘要: 通过继续对这种理想消毒技术的研究，1986年美国环保署（US EPA）将紫外线消毒列入了污水消毒设计手册并预言：做为逐渐成熟的消毒技术，紫外线消毒取代化学消毒有着巨大的潜力。在当时，已经有52套紫外线消毒系统在污水处理厂中得到应用，65套紫外线污水消毒系统正在设计或建设中。
　　 随着对化学消毒产生后果认识的提高，公众已经开始越来越关心与其相关的环境和健康问题，从而推动了紫外线消毒取代化学消毒的进程。现在，作为净水和污水的一项有效消毒技术，紫外线已处于一个有利的位置。现在在世界各地已有3000多座市政污水处理厂安装使用了紫外消毒系统。技术的发展、产品的不断优化和设计改善使得紫外系统能满足于污水、饮用水和工业用水的处理每一个项目的具体要求。
　　 在开发、应用紫外污水消毒技术方面，北美一直处于这一行业的领导地位，无论是从应用时间还是从应用范围和规模上。在北美，传统的化学消毒大大降低了由水中病原体导致的疾病的突发，但是仍然会爆发一些肠胃疾病，只是没有报道而已。将来，消毒技术和消毒方法将面临新的致病细菌、病毒和原生动物对人类健康的挑战。本章主要讨论了紫外线技术的最新发展和关于应用紫外线消毒的概况，并以安大略省污水处理厂的情况进行案例说明。

介绍

　　在北美，实际消毒方法的选取取决于公众的健康、保护水资源和人类的自身环境要求。广泛地采用加氯消毒，显著减少了以水做为载体的疾病的爆发，全面提高了人类的健康水平。但同时化学消毒也带来了严重的问题，例如：运输、储存和使用危险的化学物品，化学物质对环境的负面影响，水体的毒性（如：余氯），有机氯的潜在危险（三氯甲烷和卤乙酸等）。另外很多病毒和原生动物（如：隐孢子虫）对氯有抗药性。
　　从1878年人类发现太阳光中紫外线的杀菌作用以来，人们对紫外线在饮用水和污水消毒方面进行了研究。过去的二十多年里，紫外线技术有了显著的进步，成本也大大降低。特洁安公司将紫外消毒技术发展成一项成熟可靠的技术，市场占有率达70%多。

过去的成就

　　安大略省水资源委员会（OWRC）于1965年和1969年分别对紫外线在HUMBER河水的杀菌性能进行了评估。通过对污水和含有氯化铁自来水混合溶液的试验，证实了紫外线完全可以灭活大肠杆菌，并产生大肠杆菌吞噬体。研究显示色度、浊度和固体悬浮物的增加将直接影响消毒效果。
　　在BURLINGDON市，加拿大内陆水中心对紫外线取代化学消毒非常感兴趣。1975年OLIVER和COSROVE（1975）在实验室对HUMITTON和OAKVILLE污水处理厂的二级处理的污水消毒进行了模拟实验评估。接着的研究是，OLIVER和CAREY（1975）对流量在9L到90L/分钟的污水，经过低压紫外灯进行测试，观察到紫外线对红鳟鱼没有毒性，而氯则有毒性。
　　 TONELLI和HO（1978年）对紫外线进行了评估，研究表明低剂量的紫外线对二级处理排放的污水消毒是有效的杀毒剂，不会产生有害副产物。研究还表明紫外线消毒的主要优势在于：消毒时间短，费用上比氯消毒/脱氯方式有竞争力。
　　 1979年在MISSISSAUGA由于火车出轨引起氯气的泄露，导致了240,000人的撤离。从此，人们开始关心安全问题，并加强寻找其他消毒方法。
　　安大略省环境部对这种新型的消毒技术表示持续的兴趣。1982年HO（1982）在NEWMARKET进行了为期8个月的研究，处理过程包括：活性污泥法和在沙滤后加氯化铁除磷工艺；紫外线消毒中试由16根同轴密封低压紫外灯构成，每根灯管都由石英管保护，紫外灯排列和污水水流方向垂直；管壁每24小时进行手动清洁；没有计算紫外线剂量。大肠杆菌总数指标的几何平均数要小于2500/100ml，这个指标基于10个试样，其中85%的大肠杆菌总数要小于5000/100ml，用16根灯管杀菌的效果能达到99.97%。紫外线消毒的费用估计是加氯/脱氯的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经过6个月的研究，继续对紫外线消毒进行评估。二级处理污水经过常规的活性污泥法、加氯化铁除磷再流经紫外线进行中试。通过增加导流板和分配管来改变16根灯的中试系统。紫外线剂量为25mWs/cm² 时，大肠杆菌的总数在200到500/100ml。剂量为50mWs/cm²时，大肠杆菌的减少没有明显提高。在实验中采用二级处理污水和一级处理污水相混合来模拟一级混合污水的水质，二级污水中固体颗粒所含铁的浓度较高，要达到大肠杆菌指标时，需要较高的紫外线剂量（表1）。铁浓度对紫外线剂量的影响要高于一级混合污水中高TSS浓度的影响。实验中每8小时手动清洁石英管壁。

表1：大肠杆菌达标时，污水水质与紫外线剂量的关系

　　但在当时，紫外线系统仅在饮用水处理中有所应用，而且当时普遍认为紫外线仅仅对杀死细菌、病毒有效，而贾第虫则具有抗紫外性（RICE，1981）。后来对隐孢子虫也有类似的结论，由于发现灭活原生动物需要较高的紫外剂量，通常认为紫外线不适合在这方面的应用。所以TOBIN于1983年建议在UV消毒处理之前应先滤去胞囊。15年后新的实验研究表明，当初的分析方法低估了紫外线对胞囊传染性的真正作用（CLANCY，1998，FINCH，1999，LINDEN，1999）。这些新的研究结果表明实际上用很低的紫外剂量就可对贾第虫和隐孢子虫进行灭活。受到这些新研究发现的推动，美国环保署正在制定新的地表水和地下水处理规则，新的标准中消毒要求更为严格并增加隐孢子虫做为指标微生物之一，与此同时还即将出台更为严格的消毒副产物标准。美国环保署的有关技术经济评估表明紫外线消毒比加氯消毒和臭氧消毒可以更为经济有效地控制这些原生动物，且不会产生消毒副产物。预计这些新标准的实施将使紫外线消毒技术在自来水厂中得到大规模的应用。
　　 安大略省环境部MOE继续试验紫外线对废水消毒的效果。1982年BOHM和HO对8家污水处理厂的二级和三级污水进行了研究（表2）。污水经过6只Teflon管子，这些管子由12只低压灯和反射镜包围着，最大流量为190L/分钟（50GPM US）。

表2：消毒达标时，污水水质与紫外线剂量关系

　　通过对被灭活的总大肠菌（TC）、粪大肠菌（FC）、大肠杆菌（E.coli）、粪链球菌和沙门氏菌数量来估计紫外线的剂量需求。
　　他们的结论是：对二级和三级污水采用紫外消毒投资效益高，且当紫外线剂量在17到58mWs/cm²的范围时，能达到＜2500TC/100ml的消毒指标，实验发现紫外线能有效地降低所有测试微生物含量。由于紫外线穿透率不是影响消毒的唯一参数，他们建议进行进一步地研究，来探明TSS和粒径对消毒的影响。
　　 1982年在安大略省TILLSONBURG安装了第一套完整的紫外线系统—TROJAN UV2000系统，该系统也是第一套应用明渠式模块化设计的紫外消毒系统并采用了低压紫外灯。TILLSONBURG 污水处理厂采用活性污泥法工艺。紫外系统由4组紫外灯模块组成，安装在渠道的后面，这些研究直接提供了紫外线消毒与加氯消毒效果的比较。通过对污水的测试，得出出水平均紫外穿透率为77%，TSS小于10mg/L。
　　 对接受水体的静态实验没有发现任何光修复现象。3小时内也没有发现暗修复。紫外线处理污水48小时以上，对红鳟鱼都没有致命影响，而加氯消毒24小时内，红鳟鱼就全部死亡，7小时内死亡率为50%。1984年，WHITBY的研究表明紫外线比加氯消毒能更有效地达到消毒指标（表3），紫外线处理污水对环境没有毒性。论文研究也表明：随着悬浮物的增加，紫外线的需求剂量也相应增加。

表3：灭活指示微生物和病原体的数量级（LOG）

　　1984年美国环保署（US EPA）报道了52套紫外线消毒装置，另外35个项目正在设计中，30个项目正在建造中。其中TILLSONBURG已经安装使用了加拿大的设备，COLLINGWOOD作为一个建设项目。到1992年，紫外线污水消毒设备的数量已增加到424套（EPA，1992）。
　　 1993年安大略省关于紫外技术的报告，列出了17个应用紫外线消毒的污水处理厂和8个建议使用的项目（图1），6个项目处理后的二级污水的TSS小于5mg/L。消毒程度随不同的地点变化而变化。要求的处理标准有：粪大肠菌（FC)为20/100ml、40/100ml和200/100ml（11/17的处理厂），大肠杆菌（E .coli）为150-200/100ml（4/17的处理厂）或总TC为200/100ml（2/17的处理厂）。9/17的处理厂需要连续消毒，8/17的处理厂需要季节性消毒。处理厂消毒指标的几何平均值在1-210/100ml之间，17个污水处理厂的总设计流量为167000m³/d。

图 1：装在安大略省的紫外线消毒系统

　　表4汇编了MOE1997年的数据，这些数据来自于安大略省市政污水处理厂的实践结果（HAWLEY，1999）。污水处理厂总设计流量从167000 m³/d增加到700000 m³/d。

表 4：1997年安大略省污水处理厂的消毒情况

紫外技术的现状

　　紫外线消毒技术在北美已经被广泛接受，并成为取代化学消毒的技术。1999年Trojan的科学家调查表明：在安大略省城市污水紫外线消毒装置增加到104套。在加拿大，一些新建的污水处理厂和一些扩建的污水处理厂都选用了紫外线消毒，在美国由于氯气的储藏、运输的规章变化也有类似的趋势。统一防火条例要求抽氯装置以应付氯气的意外泄露，现场储氯超过1000磅的污水厂需要实施处理意外事故的危险管理方案（RMP）。排污许可证包含了对水中余氯的限制，常常导致最终要进行脱氯处理，大大增加了加氯消毒的成本。
　　 1982年投入使用的TILLSONBURG 紫外设备仍在良好运行并能达到消毒指标。由于紫外线消毒技术在过去的20年时间里不断发展完善，我们现在可以提供先进高效的紫外灯和电子镇流器、自动清洗系统和完善的控制系统。紫外消毒系统可以设计应用在一级处理、二级处理和三级处理污水中满足相应的消毒标准，也可以在标准更为严格的回用水以及敏感的受纳水体中应用。紫外线目前已被广泛应用在制药、食品、电子工业以及市政污水和饮用水的消毒中。紫外线在下水道溢流混合（CSO）中的应用，AVERILL（1998）经过3年的研究，对在紫外线消毒之前采用高比率的物化法预处理下水道益流混合（CSO）进行了评估。
　　 设备的新设计和改进提高了设备的可靠性，降低了维护时间和要求。灯的型号各不相同，例如：（常规）低压（低强）灯、低压高强灯、中压（高强）灯。这些灯被水平或垂直地安装在明渠或封闭的渠道中，灯的排列与水流呈平行或垂直。新的设计包括人工化学清洗灯管和全自动机械加化学式清洗灯管的清洗选择，实际运行表明所有紫外系统灯管都需要用清洗剂进行化学清洗，而选择合适的清洗剂相当重要。先进的控制可以调节运行功率来适应水质和水量的变化。在线监测可用来监视UV的穿透率、浊度、灯的强度和流量。
　　 常规的低压紫外灯系统只适合于小型处理厂或是低流量的应用。高强紫外灯和自动清洁系统的引进，只需要较小的安装空间和占地，就可以在大流量的处理厂中应用。例如：EDMONTON GOLD BAR污水处理厂，最大流量为58.8万吨/天（中压灯系统）。在安大略省的GREENWAY和WINDSOR污水处理厂的两套大型紫外线装置，最大处理量分别为：30.4万吨/天（中压灯系统）和12.5万吨/天（中压灯系统）。除此之外，中压（高强）灯还适合于低质污水（如一级排放，一级化学强化排放以及CSO）的消毒处理。目前，TORONTO处理厂正在对3种紫外线技术进行比较研究。
　　 由其在世界各地安装运行的2600多个市政污/废水厂中紫外消毒系统所积累的经验、数据以及过去20多年里的大量科研成果使Trojan成为行业内真正掌握复杂的污/废水紫外消毒技术的制造厂家。其技术实力得到国际给排水工程界的信赖和认同。对于常规处理排放的污/废水，Trojan不需做小型实验来决定紫外消毒的可行性和紫外剂量要求，其25年来所积累的数据库和最基本的污水水质参数（如紫外穿透率，TSS和颗粒尺寸）相结合即可提供足够的信息对排放污水进行综合估计并依此设计出相应的紫外消毒系统。

紫外消毒技术的未来

　　在加拿大和美国，加氯消毒被紫外线消毒替代已经成为趋势。类似于1999年国家污水报表之类的环境报告将继续宣传提倡用紫外线消毒替代化学消毒，即更好的污/废水处理技术。使用瓶装水和住宅用水处理设备的增加，表明公众支持由化学消毒转向更环保的紫外消毒。
　　随着人口密度的增加，需要提供更多的市政用水。有限的水供给和人口增长的压力，需要使用更多的地表水。这些水需要额外的处理，以保证安全无传染疾病。在北美，已有几起由于水中贾第虫或隐孢子囊虫引起的疾病爆发，被归因为市政自来水厂的加氯消毒。例如：VICTORIA和KELOWNA给水中，常规的加氯消毒不能有效的灭活这些原生动物。美国地表水处理法规中规定，必须除去或灭活3log的贾第虫，4log的病毒，将来还包括4log的隐孢子虫；由于氯对隐孢子虫的效果不好，这些法规的实施将要求现有水厂使用过滤和使用如UV或/和臭氧的附加消毒工艺，而新水厂则需使用过滤和多级组合式消毒工艺，即多屏障消毒工艺（两种以上的消毒技术结合起来使用）。美国新的关于消毒/消毒副产物及其地表水的法规将影响北美及欧洲的饮用水处理。
　　北美在地下水中发现了病毒，这种曾经认为是干净的水也需要进行消毒，而累积的氯导致水的味道、颜色的改变，使用户难以接受。在这方面紫外线是最理想的消毒方法。滑铁卢地区对紫外线消毒设备进行了研究，安装了一套低压紫外线系统作为多级处理装置来处理井水，然后与处理过的地表水混合使用。
　　 1999年美国环保署（EPA）召开了一次紫外技术研讨会，来评估关于紫外线对原生动物作用的一些最新研究成果（CLANCY，1999，FINCH，1999，LINDEN，1999）。其中的一项研究是在MANNHEIM的地表水处理中进行的，结论是：低剂量的紫外线(小于10mWs/cm²)，即能有效地灭活隐孢子虫和贾第虫，低压和中压紫外灯对原生动物的效果一样。几年前，作为一种经济可靠的饮用水消毒技术，紫外线在欧洲即被认可。现在美国环保署（EPA）认为紫外线对灭活隐孢子虫和贾第虫是最有效可行的技术，这彻底改变了人们以前的看法：即只有过滤和臭氧消毒才可以对饮用水中的原生动物进行有效地处理。

结论

　　· Trojan公司的给排水紫外消毒技术已发展成为成熟可靠的消毒技术
　　· 紫外线消毒技术将继续取代化学消毒在给排水处理中得到广泛应用，它可以确保安全，保护环境、生态和人类健康
　　· 紫外线对灭活病原性细菌、病毒和原生动物（隐孢子虫、贾第虫）是投资效益高的技术