紫外UV消毒技術(shù)的發(fā)展歷程
摘 要：在開發(fā)、應(yīng)用紫外污水消毒技術(shù)方面，北美一直處于這一行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位，無論是從應(yīng)用時間還是從應(yīng)用范圍和規(guī)模上。在北美，傳統(tǒng)的化學(xué)消毒大大降低了由水中病原體導(dǎo)致的疾病的突發(fā)，但是仍然會爆發(fā)一些腸胃疾病，只是沒有報道而已。將來，消毒技術(shù)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(zhàn)。本章主要討論了紫外線技術(shù)的最新發(fā)展和關(guān)于應(yīng)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。
經(jīng)過二十多年的發(fā)展，特潔安(Trojan)技術(shù)公司的紫外線（UV）消毒技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為取代化學(xué)消毒的成熟技術(shù)。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(shù)進行了深入的研究、開發(fā)，推動了紫外線技術(shù)的發(fā)展，為廣泛推廣紫外線消毒的應(yīng)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(tǒng)。這一創(chuàng)新大大降低了紫外污水消毒成本、使得紫外污水消毒應(yīng)用靈活、且運行維護簡單方便，從而促進了紫外線消毒技術(shù)在污水處理里的應(yīng)用，目前在全球安裝使用的紫外污水消毒系統(tǒng)中有95%以上采用了特潔安的明渠式和模塊化的創(chuàng)意。加拿大環(huán)境部和特潔安公司的技術(shù)人員對TILLSONBURG紫外系統(tǒng)的消毒性能、運行和維護進行了長時間的評估！禬ater 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(jiān)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(zhì)對紫外線劑量需求的影響。值得說明的是這套系統(tǒng)目前還在良好運行中。
通過繼續(xù)對這種理想消毒技術(shù)的研究，1986年美國環(huán)保署（US EPA）將紫外線消毒列入了污水消毒設(shè)計手冊并預(yù)言：做為逐漸成熟的消毒技術(shù)，紫外線消毒取代化學(xué)消毒有著巨大的潛力。在當(dāng)時，已經(jīng)有52套紫外線消毒系統(tǒng)在污水處理廠中得到應(yīng)用，65套紫外線污水消毒系統(tǒng)正在設(shè)計或建設(shè)中。
隨著對化學(xué)消毒產(chǎn)生后果認(rèn)識的提高，公眾已經(jīng)開始越來越關(guān)心與其相關(guān)的環(huán)境和健康問題，從而推動了紫外線消毒取代化學(xué)消毒的進程，F(xiàn)在，作為凈水和污水的一項有效消毒技術(shù)，紫外線已處于一個有利的位置，F(xiàn)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(tǒng)。技術(shù)的發(fā)展、產(chǎn)品的不斷優(yōu)化和設(shè)計改善使得紫外系統(tǒng)能滿足于污水、飲用水和工業(yè)用水的處理每一個項目的具體要求。
在開發(fā)、應(yīng)用紫外污水消毒技術(shù)方面，北美一直處于這一行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位，無論是從應(yīng)用時間還是從應(yīng)用范圍和規(guī)模上。在北美，傳統(tǒng)的化學(xué)消毒大大降低了由水中病原體導(dǎo)致的疾病的突發(fā)，但是仍然會爆發(fā)一些腸胃疾病，只是沒有報道而已。將來，消毒技術(shù)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(zhàn)。本章主要討論了紫外線技術(shù)的最新發(fā)展和關(guān)于應(yīng)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。
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(huán)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(fā)，全面提高了人類的健康水平。但同時化學(xué)消毒也帶來了嚴(yán)重的問題，例如：運輸、儲存和使用危險的化學(xué)物品，化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境的負(fù)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(fā)現(xiàn)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(shù)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(shù)發(fā)展成一項成熟可靠的技術(shù)，市場占有率達70%多。
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(chǎn)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(nèi)陸水中心對紫外線取代化學(xué)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(jīng)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(chǎn)生有害副產(chǎn)物。研究還表明紫外線消毒的主要優(yōu)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(dǎo)致了240,000人的撤離。從此，人們開始關(guān)心安全問題，并加強尋找其他消毒方法。
安大略省環(huán)境部對這種新型的消毒技術(shù)表示持續(xù)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(gòu)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(shù)指標(biāo)的幾何平均數(shù)要小于2500/100ml，這個指標(biāo)基于10個試樣，其中85%的大腸桿菌總數(shù)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(jīng)過6個月的研究，繼續(xù)對紫外線消毒進行評估。二級處理污水經(jīng)過常規(guī)的活性污泥法、加氯化鐵除磷再流經(jīng)紫外線進行中試。通過增加導(dǎo)流板和分配管來改變16根燈的中試系統(tǒng)。紫外線劑量為25mWs/cm2 時，大腸桿菌的總數(shù)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(zhì)，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(biāo)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。
表1：大腸桿菌達標(biāo)時，污水水質(zhì)與紫外線劑量的關(guān)系
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但在當(dāng)時，紫外線系統(tǒng)僅在飲用水處理中有所應(yīng)用，而且當(dāng)時普遍認(rèn)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(jié)論，由于發(fā)現(xiàn)滅活原生動物需要較高的紫外劑量，通常認(rèn)為紫外線不適合在這方面的應(yīng)用。所以TOBIN于1983年建議在UV消毒處理之前應(yīng)先濾去胞囊。15年后新的實驗研究表明，當(dāng)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，F(xiàn)INCH，1999，LINDEN，1999）。這些新的研究結(jié)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(fā)現(xiàn)的推動，美國環(huán)保署正在制定新的地表水和地下水處理規(guī)則，新的標(biāo)準(zhǔn)中消毒要求更為嚴(yán)格并增加隱孢子蟲做為指標(biāo)微生物之一，與此同時還即將出臺更為嚴(yán)格的消毒副產(chǎn)物標(biāo)準(zhǔn)。美國環(huán)保署的有關(guān)技術(shù)經(jīng)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(jīng)濟有效地控制這些原生動物，且不會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物。預(yù)計這些新標(biāo)準(zhǔn)的實施將使紫外線消毒技術(shù)在自來水廠中得到大規(guī)模的應(yīng)用。
安大略省環(huán)境部MOE繼續(xù)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(jīng)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）。
表2：消毒達標(biāo)時，污水水質(zhì)與紫外線劑量關(guān)系
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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(shù)量來估計紫外線的劑量需求。
他們的結(jié)論是：對二級和三級污水采用紫外消毒投資效益高，且當(dāng)紫外線劑量在17到58mWs/cm2的范圍時，能達到＜2500TC/100ml的消毒指標(biāo)，實驗發(fā)現(xiàn)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(shù)，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(tǒng)—TROJAN UV2000系統(tǒng)，該系統(tǒng)也是第一套應(yīng)用明渠式模塊化設(shè)計的紫外消毒系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)實驗沒有發(fā)現(xiàn)任何光修復(fù)現(xiàn)象。3小時內(nèi)也沒有發(fā)現(xiàn)暗修復(fù)。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(nèi)，紅鱒魚就全部死亡，7小時內(nèi)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(biāo)（表3），紫外線處理污水對環(huán)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(yīng)增加。
表3：滅活指示微生物和病原體的數(shù)量級（LOG）
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1984年美國環(huán)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(shè)計中，30個項目正在建造中。其中TILLSONBURG已經(jīng)安裝使用了加拿大的設(shè)備，COLLINGWOOD作為一個建設(shè)項目。到1992年，紫外線污水消毒設(shè)備的數(shù)量已增加到424套（EPA，1992）。
1993年安大略省關(guān)于紫外技術(shù)的報告，列出了17個應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(xù)消毒，8/17的處理廠需要季節(jié)性消毒。處理廠消毒指標(biāo)的幾何平均值在1-210/100ml之間，17個污水處理廠的總設(shè)計流量為167000m3/d。
圖 1：裝在安大略省的紫外線消毒系統(tǒng)
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表4匯編了MOE1997年的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自于安大略省市政污水處理廠的實踐結(jié)果（HAWLEY，1999）。污水處理廠總設(shè)計流量從167000 m3/d增加到700000 m3/d。
表 4：1997年安大略省污水處理廠的消毒情況
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紫外技術(shù)的現(xiàn)狀
紫外線消毒技術(shù)在北美已經(jīng)被廣泛接受，并成為取代化學(xué)消毒的技術(shù)。1999年Trojan的科學(xué)家調(diào)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?shù)囊?guī)章變化也有類似的趨勢。統(tǒng)一防火條例要求抽氯裝置以應(yīng)付氯氣的意外泄露，現(xiàn)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(dǎo)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(shè)備仍在良好運行并能達到消毒指標(biāo)。由于紫外線消毒技術(shù)在過去的20年時間里不斷發(fā)展完善，我們現(xiàn)在可以提供先進高效的紫外燈和電子鎮(zhèn)流器、自動清洗系統(tǒng)和完善的控制系統(tǒng)。紫外消毒系統(tǒng)可以設(shè)計應(yīng)用在一級處理、二級處理和三級處理污水中滿足相應(yīng)的消毒標(biāo)準(zhǔn)，也可以在標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格的回用水以及敏感的受納水體中應(yīng)用。紫外線目前已被廣泛應(yīng)用在制藥、食品、電子工業(yè)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(yīng)用，AVERILL（1998）經(jīng)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(yù)處理下水道益流混合（CSO）進行了評估。
設(shè)備的新設(shè)計和改進提高了設(shè)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(guī)）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(shè)計包括人工化學(xué)清洗燈管和全自動機械加化學(xué)式清洗燈管的清洗選擇，實際運行表明所有紫外系統(tǒng)燈管都需要用清洗劑進行化學(xué)清洗，而選擇合適的清洗劑相當(dāng)重要。先進的控制可以調(diào)節(jié)運行功率來適應(yīng)水質(zhì)和水量的變化。在線監(jiān)測可用來監(jiān)視UV的穿透率、濁度、燈的強度和流量。
常規(guī)的低壓紫外燈系統(tǒng)只適合于小型處理廠或是低流量的應(yīng)用。高強紫外燈和自動清潔系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)）。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(tǒng)）和12.5萬噸/天（中壓燈系統(tǒng)）。除此之外，中壓（高強）燈還適合于低質(zhì)污水（如一級排放，一級化學(xué)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(shù)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(tǒng)所積累的經(jīng)驗、數(shù)據(jù)以及過去20多年里的大量科研成果使Trojan成為行業(yè)內(nèi)真正掌握復(fù)雜的污/廢水紫外消毒技術(shù)的制造廠家。其技術(shù)實力得到國際給排水工程界的信賴和認(rèn)同。對于常規(guī)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(shù)據(jù)庫和最基本的污水水質(zhì)參數(shù)（如紫外穿透率，TSS和顆粒尺寸）相結(jié)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(shè)計出相應(yīng)的紫外消毒系統(tǒng)。
紫外消毒技術(shù)的未來
在加拿大和美國，加氯消毒被紫外線消毒替代已經(jīng)成為趨勢。類似于1999年國家污水報表之類的環(huán)境報告將繼續(xù)宣傳提倡用紫外線消毒替代化學(xué)消毒，即更好的污/廢水處理技術(shù)。使用瓶裝水和住宅用水處理設(shè)備的增加，表明公眾支持由化學(xué)消毒轉(zhuǎn)向更環(huán)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(fā)，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(guī)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(guī)中規(guī)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(guī)的實施將要求現(xiàn)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(shù)結(jié)合起來使用）。美國新的關(guān)于消毒/消毒副產(chǎn)物及其地表水的法規(guī)將影響北美及歐洲的飲用水處理。
北美在地下水中發(fā)現(xiàn)了病毒，這種曾經(jīng)認(rèn)為是干凈的水也需要進行消毒，而累積的氯導(dǎo)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(qū)對紫外線消毒設(shè)備進行了研究，安裝了一套低壓紫外線系統(tǒng)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(huán)保署（EPA）召開了一次紫外技術(shù)研討會，來評估關(guān)于紫外線對原生動物作用的一些最新研究成果（CLANCY，1999，F(xiàn)INCH，1999，LINDEN，1999）。其中的一項研究是在MANNHEIM的地表水處理中進行的，結(jié)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(jīng)濟可靠的飲用水消毒技術(shù)，紫外線在歐洲即被認(rèn)可，F(xiàn)在美國環(huán)保署（EPA）認(rèn)為紫外線對滅活隱孢子蟲和賈第蟲是最有效可行的技術(shù)，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。
結(jié)論
Trojan公司的給排水紫外消毒技術(shù)已發(fā)展成為成熟可靠的消毒技術(shù)
紫外線消毒技術(shù)將繼續(xù)取代化學(xué)消毒在給排水處理中得到廣泛應(yīng)用，它可以確保安全，保護環(huán)境、生態(tài)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(shù)
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