呂東明博士

1986年從清華大學工程力學系畢業，同年進入清華大學熱能系讀研，后在英國繼續機械工程專業的博士學習，1998年加入特潔安技術公司(Trojan Technologies)從事研發方面的工作，將其所學的流體力學以及機械工程專業知識很好地結合起來，對紫外水消毒技術，特別是消毒器的優化設計有深入的理解和掌握，并進行了更好的創新。經過近20年的努力，從無到有，紫外水處理技術在我國城市污水處理中得到廣泛應用，在飲用水常規及深度處理中正被逐漸接受，為保護環境和人類健康發揮了積極的作用。

2008年3月發表于Nature的《未來幾十年的水凈化科學和技術》第一句就說“眾所周知，干凈淡水的缺乏在全球范圍內導致許多問題的產生：12億人無法獲得安全的飲用水，26億人幾乎沒有衛生設施，每年有數百萬的人(其中每天有3 900個兒童)死于通過不安全的水或人類排泄物傳播的疾病。水污染使無數的人患病。”基于此，水處理工作者正在尋求更加安全、可靠的水凈化技術，以期在既不加重環境壓力，又不危及人類健康的前提下，達到預期的水處理效果。

紫外線很早就被人們用來殺菌消毒。微生物的遺傳物質(DNA/RNA)吸收紫外線， DNA/RNA發生光化學反應，從而生物體不能夠復制繁殖。200～300 nm的紫外線最容易被這些遺傳物質吸收，滅活能力也最強。自19世紀初，人們就用這種源于自然的紫外線技術進行水處理。本文主要介紹了紫外線技術在飲用水消毒處理中的應用及其重要作用。

1 多屏障消毒策略——聯合消毒工藝

1.1 傳統的單一消毒工藝單元存在的問題

目前，國內自來水廠主要采用單一的氯消毒工藝單元。隨著科技的進步，人類對于這一技術的認識也更加全面和深入。隨著近年來對消毒副產物認識的深入，已知的氯消毒副產物已經接近上千種，但絕大多數消毒副產物的結構和毒性仍待研究。具有毒性的氯消毒副產物中較為熟知的三鹵甲烷和鹵乙酸等只是為數不多的幾種。除此之外，氯消毒并不是對所有的病原體都有效，如自由氯對隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲和鳥型分枝桿菌等耐氯病原體是低效或無效的。在單獨使用氯消毒時，鳥型分枝桿菌普遍存在于給水系統的生物膜中，且在高pH和低溫的自然水體中對氯有很強的抵抗力。氯消毒過程中存在著很大的運輸、儲存和使用的安全風險，這也迫使決策者放棄單一的自由氯消毒方式而采取其他更為安全的水消毒理念、技術和解決方案。

1.2 新的消毒理念和方式

為了進一步保障飲用水的安全，近年來基于多級屏障理念的多屏障消毒策略在歐美地區的凈水處理中得到日益廣泛的認同和實踐。多級屏障策略不僅可以確保當凈水廠中某一工藝單元出現問題時，不會導致整個系統的失效，還可以通過不同消毒手段的聯合使用、取長補短實現優勢互補，提高供水安全性。現代消毒的最終目標是對水進行可實施和強有效的消毒，消滅其中已知和未知的病原體，由于水廠無法對水中的微生物全部檢測，消滅水中未知的病原體其實與消滅已知的病原體同等重要，但是往往被忽視，不少供水企業的一個典型認識誤區就是認為如果水廠的進水里沒有檢測出水質衛生學指標微生物，就不需要對該微生物進行處理，這其實是對水質安全指標體系的片面或者錯誤解讀。這些指標的本質是用來衡量水廠各級工藝單元控制某類安全風險的能力，它們代表的往往是一類風險而不僅僅是其本身。這就要求水務專業人員在消毒工藝的選擇上要同時平衡微生物和化學風險。

其實，氯消毒經濟的觀念也是一個認識誤區，如果要求用氯有效滅活所有已知的水媒病原體，其投資與運行成本比常規氯消毒要增加上千倍，而且工程上也根本不能實施，因為接觸池容積可能要增加上千倍，從這個意義上講，紫外消毒是目前已知的最經濟的消毒手段。臭氧也是一種高效的消毒劑，但存在溴酸鹽的風險，溴酸鹽的致癌性遠高于我們熟知的三鹵甲烷和鹵乙酸。紫外是公認的殺菌廣譜性最好的消毒技術(這也是它經濟的根本原因)，而且作為物理手段沒有消毒副產物的問題，但紫外沒有殘余消毒作用，無法保證供水管網中的生物穩定性。因此，幾種消毒技術聯合使用可以取長補短，在擴大微生物控制覆蓋的同時，減少化學藥劑的使用量，從而降低消毒副產物的生成，最大程度地提高供水安全，滿足現實和前沿的認知條件下安全供水的需求。目前，飲用水聯合消毒工藝最為常見的是紫外線加氯或加氯胺的方式。

1.3 多屏障消毒策略- 聯合消毒工藝

聯合消毒工藝的主要方式有紫外線+氯胺、紫外線+氯、紫外線+臭氧+氯胺和臭氧+氯胺等。由于紫外線消毒微生物覆蓋廣譜性好、無消毒副產物、經濟性好(與單一消毒單元的微生物覆蓋面比較)、占地面積小、易安裝實施和對耐氯微生物滅活效果好等優點，近幾年來，飲用水聯合消毒工藝選擇中基本都包括紫外線消毒單元，而且為了最大程度地發揮紫外線的優勢，減少化學藥劑用量，往往以紫外線消毒作為主消毒單元。

圖1對多屏障消毒策略中較為常見的紫外聯合氯消毒工藝的優點給出了直觀的說明。表明傳統的單一氯消毒工藝單元路線是無法在衛生學上完全保障供水安全的。考慮到水中已知和可能存在的未知耐氯性病原體(目前沒有檢測要求，并有可能受目前的技術水平和檢測手段限制無法檢測)，紫外聯合氯消毒無疑比傳統單一氯消毒工藝單元能提供更好的供水安全屏障。

圖1 紫外聯合氯多屏障消毒策略

另外，紫外聯合氯消毒可以減少氯消毒部分的劑量(余氯量或停留時間)。圖1還給出了氯消毒副產物三鹵甲烷的生成曲線，可以看到無論是水質較好的水廠還是水質較差的水廠，三鹵甲烷的濃度隨著氯CT值的增加而增加，即使是水質較好的水廠，在CT值加大時，也存在著消毒副產物超標的可能。但如果采用紫外聯合氯消毒，通過降低氯的投加CT值，可以大大減少消毒副產物的濃度，滿足安全要求。

因此，紫外聯合氯消毒工藝，不僅可以擴大對水中病原體控制的覆蓋廣譜性，還可以減少化學藥劑的使用以及消毒副產物的生成，同時改善供水的化學安全性。

紫外聯合氯消毒的優點有：(1)擴大微生物控制的覆蓋面；(2)減少化學藥劑用量及副產物，同時保證管網的生物穩定性；(3)在聯合消毒工藝的某一單元出故障時，其他單元還可以在某種程度上保證消毒效果。而所有聯合消毒方式中紫外+氯胺消毒是非常理想的搭配，可以最大程度地實現多屏障消毒策略的三大優勢。

一線的水處理工作者在理論研究不斷推進的同時，將 紫外+氯銨聯合消毒工藝應用到實際生產中，已建或在建案例均顯示出一定的成效，以期在實踐中發現問題、解決問題，為更加完善的水凈化工藝提供不同程度的技術支持。

在發達國家和地區，以紫外線消毒技術為主的聯合消毒工藝已被廣泛認可和應用。郄燕秋等詳細介紹了國外幾個典型的工程應用和在建案例。其中，美國紐約市Catskill & Delaware水廠每日的設計處理規模為832萬m3/d，是世界上最大的采用紫外消毒的自來水廠。在國內，天津泰達經濟技術開發區給水廠的三期工程(22萬t/d)設計采用了紫外線+氯消毒的聯合消毒工藝，成為國內首家運行紫外消毒工藝的自來水廠。

圖2 余氯和加氯量-氨氮含量關系圖

2 紫外消毒技術在我國自來水廠中的應用

2.1 我國飲用水生產面臨的挑戰

微生物控制是水廠管理的核心指標。對于飲用水來說，微生物控制失效引發的結果往往是惡性的，甚至是災難性的。受檢測手段、認識和技術的局限，我國飲用水使用的衛生學管理指示微生物還是以大腸菌群為主，這就要求大腸菌群對水廠所選擇的消毒劑來說是最難以去除的。但遺憾的是，由于耐氯微生物的存在，被廣泛使用的氯消毒恰好是很容易對付大腸菌群的，因此存在著衛生學指標達標但水質實際并不安全的可能。由于大部分國家沒有對耐氯微生物的檢測提出要求以及檢測手段存在限制，國內外供水界普遍存在對水中耐氯微生物風險缺乏認識或認識不足的現象。

水媒中耐氯微生物中最有名的就是隱孢子蟲。正是國外數百起隱孢子蟲引起的供水公共安全事件使得人類認識到飲用水中耐氯微生物對人類健康的潛在威脅，也認識到單一的氯消毒單元可能無法保障供水安全，因此多屏障消毒策略，即聯合消毒工藝應運而生。飲用水中耐氯病原體的存在是供水行業需要積極面對的對公眾健康的潛在威脅。

隨著中國現代農業的發展，化肥農藥的使用逐漸受到控制，取而代之的是生物制劑。用微生物改良土壤與養殖用水，這是一把雙刃劍，在農業進步的同時，往往會對該區域水源造成沖擊，引入微生物控制風險，為供水企業的管理帶來挑戰。

2.2 中國飲用水紫外消毒技術應用的發展情況

2008年，天津泰達自來水三期工程為22萬t/d，紫外主消毒工藝投產運行，這開創了我國在大型市政自來水廠中使用紫外作為主消毒工藝的先河。在隨后的10年間，飲用水紫外消毒應用伴隨著多屏障消毒策略被越來越多的行業有識之士認可并得到發展。我國陸續有40多座大中型水廠使用了紫外主消毒工藝，總規模已近650萬t/d。紫外消毒技術的使用，豐富了這些水廠的微生物控制手段與應急能力，對供水安全保障起到了積極作用。

3 結語

飲用水中耐氯微生物的安全風險應引起供水行業的高度重視，傳統的單一氯消毒單元無法真正保障飲用水衛生學和化學安全。伴隨我國水源水質日趨復雜化和惡化，多屏障消毒策略與紫外線消毒技術正逐漸用于給水深度處理的工藝中，這一策略可以更好地保障供水安全。在市政自來水消毒處理中，紫外線消毒是多屏障消毒策略中的重要單元，結合氯或氯胺消毒工藝來保證輸水管網內的生物穩定性可全面提高供水的微生物和化學安全性，聯合消毒將會成為未來水廠處理中一種重要的工藝選擇。

編輯札記

飲用水紫外消毒伴隨著多屏障消毒策略已被越來越多的行業人士認可，并得到陸續應用和發展。紫外消毒技術的使用豐富了水廠的微生物控制手段與應急能力，對供水安全保障起到了積極作用。通過對該技術的分享與討論，旨在為今后紫外消毒技術的發展提供更開闊的思路和方向。

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2020年3月17日/18日

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排版：王佳

校對：黎翔