DOI:10.14143/j.cnki.czgs.2013.02.017
CITY AND TOWN WATER SUPPLY
・水处理技术与设备・
紫外线消毒技术在饮用水处理中的应用
姚振兴 王明泉 孙韶华 贾瑞宝
（济南市供排水监测中心，山东济南 250021）
摘要：系统比较了氯、二氧化氯、臭氧和紫外线等几种常用的饮用水消毒技术，重点介绍了紫外线技术的消毒机理和优缺点。紫外线具有广谱灭菌特性,可有效解决饮用水消毒过程中消毒副产物和“两虫”抗氯性问题。介绍了紫外线与化学消毒剂联用消毒工艺及工程案例，展望了紫外线消毒技术的未来发展趋势。
关键词：紫外线消毒技术 消毒副产物 消毒工艺 发展趋势1 引言
目前，常用的饮用水消毒方法有氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒和紫外线(UV)消毒等[1]。氯消毒使用方便，成本低廉，但是在20世纪70年代，人们发现氯消毒会产生具有致癌作用的消毒副产物，Hou 等人[2]研究以黄河水为水源水的水厂，加氯消毒后会产生三卤甲烷，卤乙酸和含氮消毒副产物。二氧化氯具有较强的病原体杀灭能力和净水效果，不会产生三卤甲烷等有机消毒副产物，但是会产生ClO 2-和ClO 3-等无机消毒副产物，许多国家提出了针对ClO 2-和ClO 3-的卫生学要求[3]。臭氧作为饮用水消毒剂，在水体存在溴离子的情况下，利用臭氧消毒会产生较高浓度的溴酸盐，溴酸盐被国际研究机构确定为2B 级致癌物[4-5]。上述三种消毒剂均具有较好杀菌性能，但同时都避免不了产生对人体有害的消毒副产物，这就导致了控制微生物和控制消毒副产物之间的矛盾。
然而，紫外线消毒技术有效弥补了上述化学消毒剂的缺点，紫外线主要通过微生物的遗传物质DNA 来起作用，所以在消毒过程中不产生二次污染物。但该技术也有缺陷，其不足之处在于没有持续的杀菌消毒能力。鉴于紫外线和化学消毒剂的杀菌特点，很多研究者将紫外线杀菌和化学消毒剂杀菌进行有效地结合，发挥其各自的消毒优势。本文将重点介绍紫外线技术的消毒特性、消毒工艺及工程应用情况。
2 紫外线消毒特性2.1 消毒原理
紫外线是波长在100-380 nm的电磁波，实际用
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来消毒的紫外线的波长范围为200-300 nm。紫外线消毒原理不同于传统的化学消毒剂。化学消毒剂通过破坏微生物的细胞结构，进而阻止微生物新陈代谢、合成和生长。而紫外线消毒，则是通过产生一系列的光化学反应破坏微生物的DNA 和RNA，DNA和RNA 遭到破坏，微生物的分裂和后续的繁殖将会停止。因细菌、病毒的生命周期一般较短，在不能繁殖新细菌和病毒情况下就会迅速死亡。
2.2 技术特点
1、紫外技术消毒优点
上海临江水厂，将臭氧消毒和紫外线消毒进行了比较，两种消毒方式一次性投资基本相同，但臭氧消毒的年运行费用约500万元，而紫外线消毒年运行费用约130万元(含UV 灯管更新) [6]，可见其运行成本较低。隐孢子虫对传统的加氯消毒具有抗性，而紫外技术能够有效将其杀灭 [7] ，而且紫外技术对大部分微生物均具有灭杀效果。另外有文献记载[9]，紫外消毒不但不会产生消毒副产物和臭味问题，而且对氯消毒产生的含氮消毒副产物具有一定降解去除作用。
2、紫外技术消毒缺陷
J. Wist 等人[10]研究了紫外消毒的持续消毒能力，试验中取适量原水，紫外光照1.5 h，期间菌落数量直线下降，停止光照，菌落又开始重新生长，在24h 内，甚至能达到处理前的水平，可见紫外线消毒对管网中的水不能保持持续的消毒保护。紫外消毒的适用条件较为苛刻，对所处理水质要求比较高，受很多因素制约，包括水中悬浮物、三价铁离子、浊度和高锰酸盐等[11]。另外，有机物的出现会导致
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紫外灯受污染，其消毒效果会降低，须要定期清洗维护。
3 紫外消毒工艺研究进展
UV 虽然对各种病原体有很高的灭活率，但是UV 不像氯消毒一样，具有持续的消毒能力。为了解决这个问题，通常采用UV 与其他消毒剂联合消毒的方式，目前与其联用的消毒剂主要有氯、氯胺、二氧化氯等(表1所示)。
表1 紫外技术与化学消毒剂联合工艺
序号123456
联合消毒方式UV+Cl2[13-14]UV+NaClO3+ClO2[12]UV+Cl2/氯胺[15]
UV+O3[17]UV+H2O 2[20]
UV+催化剂(银离子、二氧化钛) [23-24]
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罗凡等[12]针对黄浦江源水砂滤出水，进行了紫外线单独作用的研究，同时对于紫外线与消毒剂(NaClO3和ClO 2的混合物) 联合消毒时消毒剂的投加方式对灭菌作用和消毒副产物的影响进行了研究。重点考察了紫外线和消毒剂先后使用对消毒效果的影响。此项研究具有重要的意义，研究结果能够有效的指出达到最佳的消毒效果时所需要的紫外线剂量和消毒剂的平衡浓度，为水厂建设联合消毒工艺奠定了理论基础。
另外，赖日明等[13]介绍了紫外线与氯联合消毒工艺对北江水域常规处理后的滤后水进行消毒工艺，通过研究紫外线消毒的持续时间，紫外线与氯联合消毒工艺的副产物及紫外线对氯投加量的影响等，探讨了该消毒工艺在大中型供水厂中的实用性。但是，Choi等[14]在研究管网水时，发现了紫外线消毒的负面作用，经过紫外线照射后的饮用水，在加氯消毒后会发现氯的使用量增加，消毒副产物含量也会增加。原因是紫外线的照射将水中的可溶性有机物分裂成较小分子的有机物，而这些有机物恰恰是消毒副产物的前体物。所以在使用紫外线与氯联合使用时，须研究两种消毒方式不同顺序的使用对消毒副产物产生的影响。
Murphy 等[15]使用UV 与氯、氯胺控制配水管网中的大肠杆菌增长的研究中发现，氯气和紫外线的联合消毒并没有提高对大肠杆菌的灭活强度。氯胺-UV 联用消毒虽然可以保证反应器出水中大肠杆菌低于检测限，然而会增加铸铁管材上生物膜中含量。由此可以看出，并不是所有的联合消毒方式都是各自单独作用效果的叠加，具体水质需要具体分析。
Bonnia 等[16]针对UV--氯胺/氯联合消毒产生消毒副产物问题，研究了水样中无机前体物对含氮、含溴消毒副产物产生的影响。水体中的无机物(氮和溴元素) 通过加标实验，研究了光照强度以及无机前体物对消毒副产物形成的影响。该研究有一定的现实警示作用，在使用消毒方式组合时，尽量避免新型消毒副产物的产生。
正如前文所述，单纯用臭氧消毒，会产生对人体有害的溴酸盐等消毒副产物。当溴酸盐的含量达
要适当的减少臭氧消毒剂的加入量，到10μg・L -1时，
如果这样做，又会影响消毒效果。所以，Meunier等[17]
研究了UV-臭氧联用技术处理饮用水，在保证臭
・L -1，氧浓度为0.5mg ・L -1时，溴酸盐的含量在0.4μg
远远小于标准限值，在臭氧化以后，再使用紫外消毒技术，保证了对臭氧免疫微生物的灭活。另外，Yeon 等[18]利用UV-臭氧联合技术成功处理枯草芽孢杆菌。
Sharrer 等[19]研究了UV-O 3联用对大肠杆菌的消毒效果。结果表明，UV-O3联用效果要远远好于单独使用臭氧的灭菌效果。在臭氧投加CT 为0.1-・cm -2 时即可达到0.2mg ・min ・L -1，UV剂量大于50 mJ
细菌总数及大肠杆菌的目标。
紫外-臭氧联合消毒技术，弥补了各自的不足，既能够保证各种病原微生物含量达到饮用水标准，又能够减少溴酸盐的产生量，面对越来越复杂的水源水，该工艺具有较强的工程实践意义。
目前，基于高级氧化技术的UV-H 2O 2工艺发展迅猛，这种工艺能够有效的降低消毒副产物的形成。Toor 等[20]研究了UV-H 2O 2对消毒副产物的影响，研究者利用UV-H 2O 2联合工艺对原水进行处理，在后续工艺中使用生物活性碳处理，结果发现消毒副产物、TOC和UV 254分别降低了43%、52%和59%。足见其在降低消毒副产物过程中的作用。
Mamane 等[21]研究了UV-H 2O 2高级氧化工艺，组合工艺中会产生更强氧化性的羟基自由基，对E
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600和400套饮用水消毒处理设备，另外，在美国紫外线消毒也有应用[25]。
美国西雅图水厂处理规模为68万m 3・d-1，该水厂采用紫外线、臭氧和氯气联合消毒的工艺，臭氧投加量为0.4-0.6mg・L-1，紫外线剂量为40mJ・cm-2，氯气投加量小于1 mg・L-1。该水厂能够满足西雅图市区70%的供水需求。
荷兰PWN 水厂供水规模9.6万m 3・d-1，该水厂采用紫外线和过氧化氢联用的消毒工艺，实现了对隐孢子虫和贾第鞭毛虫的灭活，又不会产生溴酸盐消毒副产物。（见图1）
国内也有采用紫外线消毒的水厂，天津开发区净水厂地处天津滨海新区，总设计产水能力为32.5万m 3・d-1，建成了国内首家紫外线和氯联合消毒的工艺(如图1所示)，该工艺的应用保证了出厂水满足的国标的要求，确保了生活饮用水的卫生安全性[26]
。另外，在上海临江水厂，2005年启动了净水深度处理工程设计：其中包括预臭氧、中间提升、活性炭和紫外线消毒工艺设施[6]。
目前，国内采用紫外线消毒水厂较少，但是，随着国内水厂应用实例的成功，该项技术将可能得到较大的发展。
5 展望
目前，国外对于紫外技术在给水处理中应用研
coli 等细菌具有更好的灭活效果。但关于UV-H 2O 2联合工艺也存在负面的结论，有研究者研究，在H 2O 2存在的条件下，利用UV 进行消毒时，有助于亚硝酸盐的形成[22]，而亚硝酸盐是一种致癌物质。所以，在选择使用UV-H 2O 2联合工艺时，找到双氧水最佳的加入量，必须确保不会有类似亚硝酸盐这样的有害物质产生。
另外还有研究者利用不同的催化剂提高UV 的处
二氧化钛等[24]，理能力进行水样消毒，比如银离子[23]，
所处理的水样都达到了满意的效果，但是催化剂如何从饮用水中去除是个亟待解决的问题。
通过以上UV 和其他消毒剂联用的文献分析，可以发现，每一种联合方式都有其优势，也都存在各自的问题，但是值得欣慰的是，每一种联合方式都比使用单一消毒时，消毒效果要好。研究者使用紫外线消毒的初衷是减少消毒副产物的产生量，灭活传统化学消毒剂不能消灭的微生物，所以，在进行工艺联用时，应优化UV 和化学消毒剂的使用顺序，应优化UV 用量和消毒剂用量，探索制约发挥各自作用的影响因素，从而最大限度降低饮用水中病毒健康风险和产生消毒副产物的风险。
4 紫外消毒工艺的工程应用
目前，在欧洲有2000多套UV 消毒系统处理饮用水，瑞士、澳大利亚和挪威分别拥有超过500、
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究非常活跃，并且已有较多的应用实例。我国在紫外消毒技术应用方面做的工作较少，笔者认为今后应该加大对紫外消毒的研究力度，应该从以下几方面开展研究： 我国地域广泛，水质复杂，针对紫外线消毒，应着重探索不同水质对紫外技术消毒的反应，重点研究不同预处理工艺对紫外技术消毒的贡献； 针对紫外技术与化学消毒剂联用消毒，重点研究优化二者用量，最大限度降低饮用水中病毒健康风险和产生消毒副产物的风险； 针对催化剂辅助紫外技术消毒，重点研究合成安全高效催化剂；研究利用紫外技术降解饮用水中其他微污染物，如四氯化碳、臭味物质等。
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基金资助来源：水体污染控制与治理科技重大专项“黄河下游地区饮用水安全保障技术研究与综合示范”（2008ZX07422）；“饮用水安全保障技术”泰山学者建设工程专项（ts200640025）。
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