紫外線技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用及未來趨勢

蔡曉涌 高明 張會(huì)敏

（北京安力斯科技發(fā)展有限公司）

摘要：本文概述了紫外線消毒技術(shù)的原理及發(fā)展概況，詳細(xì)介紹了紫外線技術(shù)在水處理領(lǐng)域的三大功效：即廣譜殺菌，有效殺滅賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲，以及高級(jí)氧化功能，這些功能分別解決了水處理領(lǐng)域的三大難題：消毒副產(chǎn)物問題，賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲的抗氯性問題，以及難降解有機(jī)物污染問題。然后針對紫外線技術(shù)在應(yīng)用中存在的一些問題提出了有效解決方案，并展望了紫外線技術(shù)在未來的應(yīng)用和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：紫外線消毒，廣譜殺菌，消毒副產(chǎn)物，組合消毒工藝，高級(jí)氧化

Application and Future Trend of Ultraviolet Disinfection Technology in Water Treatment

Xiao-yong Cai, Hui-min Zhang

（Beijing Onyx Technology Development Co., Ltd）

Abstract：This paper introduces the principle and history of Ultraviolet(UV) Disinfection Technology and its main functions, such as broad-spectrum sterilization，Effectively killing of giardiasis and Cryptosporidium Hominis， and advanced oxidation process，which respectively solved a difficult problem in water treatment domain, namely By-products of disinfection, threat of Giardiasis and Cryptosporidium Hominis, and refractory biodegradation organic compounds pollution。Then aiming at some limitation of UV Disinfection, gives some effective measures, and prospects the future of UV Technology.

Key Words：Ultraviolet Disinfection，Broad-spectrum Sterilization，By-Products of Disinfection，Union Disinfection，Advanced Oxidation Processes

1 概述

　　紫外線是波長在100-380nm的電磁波，根據(jù)其波長及功能的不同，又分為四個(gè)波段，即UV-A（315-380nm），UV-B（280-315nm），UV-C（200-280nm）和V-UV（真空紫外線，100-200nm）。UV-A能使人的皮膚產(chǎn)生黑色素；UV-B可令皮膚起皺紋老化，有致癌作用；UV-C是具有有效殺菌效果的紫外線；V-UV中的185nm波長的紫外線能產(chǎn)生臭氧。
　　 紫外線消毒是一種基于現(xiàn)代防疫學(xué)、光學(xué)、生物學(xué)和物理化學(xué)的消毒技術(shù)，利用特殊設(shè)計(jì)的紫外發(fā)生裝置，產(chǎn)生的UV-C照射流水（空氣或固體表面），當(dāng)水（空氣或固體表面）中的各種細(xì)菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其它病原體受到一定劑量的UV-C輻射后，其細(xì)胞中的DNA（脫氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）結(jié)構(gòu)受到破壞，使其喪失復(fù)制和繁殖能力，因細(xì)菌、病毒的生命周期一般都很短，不能繁殖的細(xì)菌、病毒就會(huì)迅速死亡，從而在不使用任何化學(xué)藥物的情況下達(dá)到消毒和凈化的目的。
　　 紫外線技術(shù)用于水處理領(lǐng)域的歷史很早，1910年法國馬賽的一家自來水廠就采用過紫外消毒工藝。之后由于紫外消毒本身的技術(shù)問題（如燈管壽命短、穿透率低），以及投資和運(yùn)行成本較高等原因，紫外線技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用一直進(jìn)展緩慢。
　　 從20世紀(jì)70年代開始，UV消毒技術(shù)逐步開始應(yīng)用在給排水消毒領(lǐng)域，這主要是由于人們認(rèn)識(shí)到了消毒副產(chǎn)物危害的認(rèn)識(shí)。同時(shí)由于紫外光燈關(guān)鍵技術(shù)的突破，使得UV消毒系統(tǒng)的可靠性大大提高，設(shè)備使用壽命長，能耗降低，運(yùn)行費(fèi)用也大為下降。因此20世紀(jì)90年代紫外消毒技術(shù)在歐美國家得到了迅速的發(fā)展和推廣應(yīng)用。
　　 我國國家環(huán)境保護(hù)總局和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局于2002年12月24日頒布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB l8918-2002)中首次將微生物指標(biāo)列為基本控制指標(biāo)，要求城市污水必須進(jìn)行消毒處理，該標(biāo)準(zhǔn)的頒布為紫外消毒技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了契機(jī)。2003年5月4日，國家環(huán)境保護(hù)總局要求城鎮(zhèn)污水處理廠出水應(yīng)結(jié)合實(shí)際采取加氯或紫外線、臭氧等消毒滅菌處理，由此可見紫外消毒已成為污水處理廠出水消毒的規(guī)范化手段之一。中國建設(shè)部于2005年11月通過《城市給排水紫外線消毒設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了紫外消毒設(shè)備的應(yīng)用和技術(shù)要求，同時(shí)也為紫外消毒技術(shù)在生活飲用水、飲用凈水、城鎮(zhèn)污水處理廠出水、城市污水再生利用水、工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 紫外線的功效

　　紫外線的作用很廣，在水處理領(lǐng)域的主要功能包括三個(gè)方面：即廣譜殺菌、有效殺滅賈第鞭毛蟲與隱孢子蟲，以及高級(jí)氧化功能。
　　 紫外線屬廣譜殺菌射線，在足夠的照射劑量下，能殺死一切微生物，包括細(xì)菌、結(jié)核菌、病毒、芽孢和真菌，并且殺菌速度快，大多數(shù)都是在1秒之內(nèi)。
　　 另外，紫外線消毒技術(shù)對近些年發(fā)現(xiàn)的致病性病原微生物賈第蟲和隱孢子蟲也具有良好的滅活效果。使用低壓汞燈和中壓汞燈均能有效地滅活隱孢子蟲，38mJ/cm²的輻射劑量就能達(dá)到99.99%的殺滅率。
　　 紫外線還具有高級(jí)氧化功能。波長為185nm的真空紫外線（V-UV）能產(chǎn)生臭氧，臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，能破壞存在于空氣中或水中的微生物的細(xì)胞壁，使微生物立刻死亡。另外紫外線近年來被廣泛應(yīng)用于光催化氧化和光化學(xué)氧化。

3水處理領(lǐng)域的三大技術(shù)難題

　　隨著人們安全意識(shí)、環(huán)保意識(shí)的提高和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格，傳統(tǒng)的水處理技術(shù)（包括消毒技術(shù)）已經(jīng)難以滿足新的水質(zhì)要求，目前存在的技術(shù)難題主要有三個(gè)方面：一是廣泛應(yīng)用的氯消毒所產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物問題；二是賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲的抗氯性問題；三是水中的有機(jī)物特別是難降解有機(jī)污染物越來越多，常規(guī)的生物處理方法難以去除。
3.1 消毒副產(chǎn)物
　　 給排水領(lǐng)域的消毒技術(shù)大體上可以分為物理消毒和化學(xué)消毒兩大類。物理消毒法有紫外線消毒、膜過濾、加熱、冷凍、輻射和微波消毒等；常用化學(xué)消毒劑有氯、二氧化氯、臭氧、氯胺等。
　　 氯對細(xì)菌的作用是破壞其酶系統(tǒng)，導(dǎo)致細(xì)菌死亡，對病毒的作用主要是對核酸破壞的致死性作用。20世紀(jì)70年代后，人們發(fā)現(xiàn)飲用水氯消毒后，水中含有具有致癌、致畸、致突變的THMs等有害消毒副產(chǎn)物，從而影響飲用水水質(zhì)安全性。至今已知的消毒副產(chǎn)物已經(jīng)有500種以上，但是絕大多數(shù)的濃度只有微克/升，其中對于THMs的致癌性已有共識(shí)，其它大部分具有一般毒性，部分具有致突性。
　　 臭氧消毒主要是利用其強(qiáng)氧化性，破壞微生物的細(xì)胞壁使其立刻死亡。臭氧消毒本身不產(chǎn)生鹵代烷，但是生成的其它消毒副產(chǎn)物如醛、酮、醇等若經(jīng)氯化，也會(huì)產(chǎn)生三鹵甲烷。
　　 為了避免有害消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，采取的主要途徑有：(1) 預(yù)處理去除THMs前驅(qū)物(主要是富里酸和腐殖酸等有機(jī)物，徹底清楚難度非常大)；(2) 采用其它消毒方法。
　　 為此，人們把目光集中到紫外線消毒上。紫外線消毒不向水中增加任何物質(zhì)、不增加水的嗅和味、沒有副作用、不產(chǎn)生有毒有害的副產(chǎn)物、消毒速度快、效率高、操作簡單、便于運(yùn)行管理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，這都是它優(yōu)于化學(xué)消毒的地方。
3.2賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲問題
　　 隱孢子蟲為孢子蟲類的原生動(dòng)物，寄生于哺乳動(dòng)物、烏類及魚類的胃腸道及呼吸道內(nèi)，傳染方式為經(jīng)口腔攝入了隱孢子蟲的卵囊，水是最重要的傳播途徑。隱孢子蟲繁殖很快，從體內(nèi)排出后又形成新的污染源。通常的人感染癥狀為腹痛、嚴(yán)重腹瀉、食欲不振等。免疫力弱時(shí)嚴(yán)重的還會(huì)失去生命。賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲一樣寄生在人和動(dòng)物中，感染賈第鞭毛蟲的癥狀包括腹瀉、胃漲、腹痛腹脹、惡心嘔吐等。
　　 據(jù)美國自來水協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，美國發(fā)生隱孢子蟲事故10次，英國發(fā)生21次，加拿大發(fā)生4次，日本發(fā)生1次。水中賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲引起的疾病爆發(fā)，被歸因?yàn)槭姓詠硭畯S的加氯消毒。賈第蟲和隱孢子蟲具有抗氯性，特別是隱孢子蟲，常規(guī)氯消毒幾乎不起作用，欲滅活90%，需要80mg/L濃度的氯接觸90分鐘，因此采用新的有效的消毒方式以保證飲用水安全性十分必要。
3.3 難降解有機(jī)物污染問題
　　 冶金、化工、造紙與制藥等行業(yè)所排放的難降解的有機(jī)污染物多含有多環(huán)芳烴、有機(jī)氯化物、氯代酚類及一些高分子物質(zhì)，導(dǎo)致廢水毒性大、難以被微生物降解、處理難度大等一系列問題，如何有效地處理這些廢水是我國環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域一直以來的重要研究課題. 高級(jí)氧化技術(shù)是一種可以有效地處理難降解有機(jī)廢水的方法。 即利用在一定條件下產(chǎn)生的具有很強(qiáng)氧化能力的自由基，如羥基自由基（·OH），其氧化電位非常高（3.06V），氧化能力強(qiáng)于臭氧（2.07V）和氯氣（1.36V），能強(qiáng)化分解水中的有機(jī)污染物，可用于水源污染較重和水質(zhì)要求較高的情況。

4 紫外線技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用——問題與挑戰(zhàn)

　　紫外線消毒雖然具有很多化學(xué)消毒無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著一些制約其發(fā)展的因素，其中最突出的是紫外線無持續(xù)殺菌能力，另外紫外消毒對水體要求高，技術(shù)本身存在的一些限制使紫外線技術(shù)在應(yīng)用中面臨著諸多問題，如何有效地解決這些問題，是紫外線技術(shù)在水處理領(lǐng)域的推廣應(yīng)用所面臨的巨大挑戰(zhàn)。
4.1 采用組合消毒工藝實(shí)現(xiàn)持續(xù)殺菌
　　 紫外消毒利用UV-C輻射破壞細(xì)菌和病毒的核酸物質(zhì)，不會(huì)向水中增加任何化學(xué)物質(zhì)，因此當(dāng)處理水離開反應(yīng)器之后，特別使對于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)娘嬘盟诠芫W(wǎng)傳輸過程中一些被紫外線殺傷的微生物有可能會(huì)修復(fù)損傷的DNA分子，使細(xì)菌再生，也可能在沿途滋生新的細(xì)菌和病毒。因此，要維持持續(xù)的消毒效果，紫外線需要與其它消毒技術(shù)聯(lián)用。如紫外與氯胺的組合消毒工藝，即可以利用紫外線的廣譜殺菌能力和高效殺滅賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲的能力，又可以利用氯胺消毒持久性最長和消毒副產(chǎn)物鏈很小的優(yōu)勢，不失為一種值得推廣的多屏障消毒工藝。
4.2飲用水消毒的安全屏障
　　 我國新的飲用水法規(guī)已加強(qiáng)了對賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲的監(jiān)控。紫外線能高效殺滅賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲，因此紫外消毒是飲用水水質(zhì)的一道安全屏障，供水處理中應(yīng)增加紫外消毒工序，保障飲用水安全性。
4.3 高級(jí)氧化功能處理難降解有機(jī)污染物
　　 利用紫外線高級(jí)氧化功能而發(fā)展起來的光化學(xué)氧化和光催化氧化都是近年來新興的水處理技術(shù)。光化學(xué)氧化法是在光的作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，采用臭氧或過氧化氫作為氧化劑，在紫外線的照射下使污染物氧化分解，從而達(dá)到水中污染物質(zhì)的高效降解。光化學(xué)氧化系統(tǒng)組合工藝主要有UV/H₂O₂系統(tǒng)，UV/O₃系統(tǒng)和UV/O₃/H₂O₂系統(tǒng)。
　　 一般認(rèn)為UV/H₂O₂的反應(yīng)機(jī)理是：1分子的H₂O₂在紫外光的照射下產(chǎn)生2分子的HO•自由基，如下所示：

H₂O₂ + hυ → 2 HO•

H₂O₂ + hυ → HO₂•+H•

HO• + H₂O₂ → H₂O•+ H₂O

H•+ H₂O₂ → HO•+ H₂O

HO₂•+ H₂O₂ → HO•+ H₂O+ O₂

　　其它光化學(xué)氧化系統(tǒng)的反應(yīng)原理與UV/H₂O₂系統(tǒng)相似，都是通過紫外光子的激發(fā)產(chǎn)生羥基自由基。
　　 光催化氧化就是利用半導(dǎo)體催化劑（納米二氧化鈦被認(rèn)為是綜合性能最好的催化劑）結(jié)合具有一定能量的光輻射（紫外光），利用紫外產(chǎn)生的光量子激發(fā)催化劑，產(chǎn)生的羥基自由基以其特有的強(qiáng)氧化能力，可將許多化學(xué)法、生物法無法氧化的有機(jī)物，完全氧化為CO₂、H₂O及相應(yīng)的無機(jī)酸，而且不造成二次污染。
　　 紫外線的高級(jí)氧化功能適用于處理有機(jī)物濃度高、可生化性差的工業(yè)廢水，尤其適合于處理難降解的大分子有機(jī)物，如農(nóng)藥、有機(jī)氯代物、多環(huán)芳烴等。
4.4 加強(qiáng)監(jiān)控應(yīng)對來水水質(zhì)變化
　　 在水處理消毒中，殺菌效率要求越高，所需的照射劑量就越大。影響微生物接受到足夠紫外光照射劑量的主要因素是紫外線穿透率（UVT），當(dāng)UV-C輸出強(qiáng)度和照射時(shí)間一定時(shí)，UVT的變化將造成微生物實(shí)際接受劑量的變化。設(shè)計(jì)中，一般要求1cm水樣透光率≥65％。若實(shí)際透光率低于設(shè)計(jì)值，將達(dá)不到預(yù)期消毒效果，必需提高紫外線輸出強(qiáng)度或增加照射時(shí)間，以達(dá)到需求輻射劑量；反之，若設(shè)計(jì)值低于實(shí)際值，則又造成紫外設(shè)備和電能的浪費(fèi)。為此，國內(nèi)外較為先進(jìn)的紫外消毒設(shè)備，如安力斯的紫外消毒模塊，在設(shè)計(jì)中加入了較為靈活的自動(dòng)控制系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)測來水水質(zhì)，隨著透光率的變化，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以隨時(shí)調(diào)整紫外燈輸出強(qiáng)度或開啟臺(tái)數(shù)，從而保證良好的消毒效果。
4.5紫外消毒技術(shù)可滿足大規(guī)模水處理工程需求
　　 從20世紀(jì)七八十年代，人們開始了對UV消毒技術(shù)的深入研究和工程應(yīng)用，但是當(dāng)時(shí)的紫外線技術(shù)相對比較落后，紫外燈管的功率只有幾十瓦，建設(shè)大規(guī)模的水廠或污水處理廠，需要安裝的紫外模塊太多，而且紫外燈壽命很短，只有一千多小時(shí)，燈管更換頻繁，因此，大規(guī)模的水廠如果采用紫外消毒技術(shù)，投資和維護(hù)費(fèi)用相對較高。所以紫外消毒一般只用于水質(zhì)要求高且規(guī)模不大的水廠。
　　但當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)意識(shí)到了紫外消毒技術(shù)的優(yōu)勢，為了改善上述限制條件，開始了更加深入的理論研究和技術(shù)開發(fā)，促進(jìn)了紫外光燈關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)在155w和320w的紫外光燈已經(jīng)開始普遍應(yīng)用，國外一些機(jī)構(gòu)正在研制800W的高強(qiáng)紫外燈。2萬t/d的污水處理廠可以僅用50支紫外光燈，20萬t/d的污水處理廠（一級(jí)B出水）可以用300支燈完成消毒任務(wù)，而且水力停留時(shí)間只需要幾秒種，比氯法消毒節(jié)約了很大的占地面積。現(xiàn)在紫外光燈的壽命也可以達(dá)到12000-20000小時(shí)，使得UV消毒系統(tǒng)的可靠性大大提高，運(yùn)行費(fèi)用也大為下降。所以，現(xiàn)在紫外消毒完全可以滿足大規(guī)模水廠的消毒需求，不再受處理量的限制。
4.6 結(jié)垢問題
　　 石英套管外壁的清洗工作是運(yùn)行和維護(hù)的關(guān)鍵。當(dāng)污水流經(jīng)UV消毒器時(shí)，其中有許多無機(jī)雜質(zhì)會(huì)沉淀、粘附在套管外壁上。尤其當(dāng)污水中有機(jī)物含量較高時(shí)更容易形成污垢膜，這些都會(huì)抑制紫外線的透射，影響消毒效果。因此，石英套管的清洗問題也曾經(jīng)是影響紫外消毒系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。
　　 目前，手動(dòng)清洗、在線自動(dòng)清洗和化學(xué)清洗技術(shù)都已經(jīng)非常成熟，對于大規(guī)模的紫外模塊，普遍采用機(jī)械清洗+化學(xué)清洗的方式，即在紫外模塊中安裝在線自動(dòng)清洗裝置，定期（周期較短，根據(jù)系統(tǒng)反饋的透光率確定）自動(dòng)循環(huán)清洗，如機(jī)械清洗不徹底，可以一個(gè)月或幾個(gè)月后將模塊吊出，放入化學(xué)清洗池或清洗車用低濃度的有機(jī)酸進(jìn)行清洗。

5 紫外線技術(shù)在未來的應(yīng)用趨勢

　　目前，紫外線技術(shù)的功能和優(yōu)勢已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可和推廣，隨著水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格和人們安全意識(shí)的提高，紫外線消毒在以下領(lǐng)域?qū)⒂兄訌V闊的應(yīng)用前景。
　　 1、 污水消毒，紫外線用于污水處理和中水回用的終端消毒已經(jīng)有了并將擁有更多的工程應(yīng)用實(shí)例。
　　 2、 高級(jí)氧化。針對濃度高、可生化性差的工業(yè)廢水，光催化氧化和光化學(xué)氧化將充分發(fā)揮其強(qiáng)氧化能力，無選擇性地降解大分子有機(jī)物。
　　 3、 泳池等工、商業(yè)工藝用水的氧化及消毒處理，油田回注水、醫(yī)院廢水等特殊領(lǐng)域的消毒處理。
　　 4、 飲用水消毒，紫外線能有效殺滅賈第蟲和隱孢子蟲，是飲用水處理的一道安全屏障。
　　 5、 降低TOC，主要用在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和實(shí)驗(yàn)室裝置中。
　　 6、 消除臭氧。254nm波長的紫外線對于破壞剩余臭氧非常有效，它可以把臭氧分解成氧氣，消除水中臭氧對后續(xù)工序的影響。
　　 7、 消除余氯。185nm和254nm的紫外線都被證實(shí)可以有效破壞余氯和氯氨的化學(xué)鍵。
　　 8、 表面消毒。在食品和飲料生產(chǎn)業(yè)中，大部分原料都是很容易被細(xì)菌所利用的食物，因此很容易促成細(xì)菌繁殖，但是，食品業(yè)的安全性又不允許添加化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行殺菌，因而紫外線表面消毒技術(shù)成為首選的消毒工藝之一。
　　 9、 空氣消毒。紫外設(shè)備用于醫(yī)院、診所的空氣消毒已有幾十年的歷史。隨著人們生活質(zhì)量的提高，在不久的將來，工廠、辦公室和家庭也會(huì)開始使用紫外空氣消毒設(shè)備。特別是空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)和排風(fēng)管道中，時(shí)間長了很容易滋生細(xì)菌，進(jìn)行空氣消毒也是非常必要的。
　　 10、 其它工業(yè)領(lǐng)域，包括食品業(yè)、飲料業(yè)、制藥業(yè)、化妝品業(yè)、制造業(yè)、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)等。
　　 總之，UV-C殺菌效率高，紫外消毒技術(shù)對提高供水安全性、改善水環(huán)境質(zhì)量、保障人體健康等方面都具有十分重要的意義。未來在水處理、工業(yè)應(yīng)用、體和空氣消毒領(lǐng)域都將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。