世界上首次應(yīng)用紫外線消毒的給水廠是法國馬賽水廠，緊接著法國里昂水廠也開始應(yīng)用，隨后紫外線消毒技術(shù)得到全面推廣。目前，西方發(fā)達(dá)國家有4 000多家給水廠使用紫外線消毒，其中包括德國的斯提羅姆-奧斯特水廠、荷蘭的鹿特丹水廠、加拿大維多利亞水廠、美國西雅圖和紐約等大型水廠。我國在20世紀(jì)60年代初就有關(guān)于紫外線用于飲用水消毒的報(bào)道，但直到80年代才開始應(yīng)用，目前應(yīng)用案例有天津開發(fā)區(qū)水廠、上海臨江水廠、北京郭公莊水廠等。
紫外線消毒效果與紫外設(shè)備投射的紫外線劑量直接相關(guān)，紫外線劑量指單位面積上接收到的紫外線能量。與化學(xué)消毒不同的是，紫外線沒有殘留，因此不能通過監(jiān)測剩余濃度來確定釋放的劑量。紫外線傳感器可以測量紫外光強(qiáng)，但是當(dāng)微生物以不同的軌跡通過反應(yīng)器時(shí)，傳感器無法測量照射到微生物的紫外線劑量。因此，為了確保紫外線對微生物的滅活效果，保障飲用水安全，推動(dòng)紫外線技術(shù)的健康發(fā)展，必須了解紫外線消毒設(shè)備的消毒性能是如何認(rèn)定的。
本文介紹了目前常用的紫外線消毒設(shè)備劑量認(rèn)定方法，簡要分析了各類方法的特點(diǎn)，并對國際上的劑量驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)做了簡要概述，對比分析了我國的標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)狀，為紫外線消毒技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供支持。
1、主要的紫外線消毒效果認(rèn)定方法
目前，認(rèn)定紫外設(shè)備消毒性能，即其投射的紫外線劑量的方法主要有以下幾種：計(jì)算模型法、化學(xué)法、生物法、熒光微球法、紫外線強(qiáng)度監(jiān)控法。
1.1、計(jì)算模型法
計(jì)算模型法是理論方法，包括紫外線強(qiáng)度分布模型和計(jì)算流體力學(xué)模型。其中，紫外線強(qiáng)度模型是基于光學(xué)和幾何學(xué)原理，通過計(jì)算紫外線在反應(yīng)器中的輻照情況，獲得紫外線強(qiáng)度分布模型，從而推算紫外線劑量。常見的紫外線強(qiáng)度分布模型有MPSS、MSSS、LSI、RAD-LSI和DO。
1970年，Jacob和Dranoff開發(fā)了MPSS模型，將線光源等分成n段相等的點(diǎn)光源，采用多點(diǎn)源疊加的方法計(jì)算反應(yīng)器接收到的紫外線強(qiáng)度。1997年，Blatchley在MPSS基礎(chǔ)上提出LSI模型，該模型不考慮紫外線在傳播介質(zhì)中的吸收，改進(jìn)了MPSS模型有限個(gè)點(diǎn)的限制，將MPSS模型中的點(diǎn)光源個(gè)數(shù)趨近于無窮，簡化計(jì)算。2000年，James R Boltan提出MSSS模型，采取分段等分的方式，將光源等分成若干個(gè)圓柱形立體光源，再采用多段疊加的方式計(jì)算接收點(diǎn)的光強(qiáng)，是MPSS模型的擴(kuò)展，且MSSS模型除了考慮介質(zhì)對紫外線的吸收作用外，還增加了反射和折射的影響。RAD-LSI模型是LSI模型的改良，將近燈管區(qū)域部分采用線光源的模型計(jì)算紫外線強(qiáng)度。DO模型是求解熱輻射的方法，考慮熱量通過各介質(zhì)時(shí)的吸收與分散作用，應(yīng)用有限。針對紫外線強(qiáng)度分布模型，市場上開發(fā)了計(jì)算軟件，常見的有UV Calc軟件（James R Boltan開發(fā)）和UVDIS軟件（美國EPA開發(fā)）等。其中，很多紫外設(shè)備廠家使用UVDIS軟件，用這個(gè)軟件計(jì)算出來的紫外線劑量也叫UVDIS劑量，它實(shí)際上是基于紫外線光強(qiáng)均勻分布以及所有微生物顆粒的暴光時(shí)間，也是均勻分布的假設(shè)。
流體力學(xué)模型是基于模擬流體流動(dòng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，計(jì)算微生物通過紫外線消毒系統(tǒng)的軌跡，研究反應(yīng)器的水力特性。在20世紀(jì)80年代，Romero等就已經(jīng)建立了關(guān)于環(huán)形紫外線消毒系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)控制方程，后期隨著計(jì)算機(jī)的普及，人們開始用CFD技術(shù)建立流體模型，解決涉及流體工程的問題。目前，常見的CFD軟件有Phoenics、Cham、Fluent等。Unluturk等使用CFD技術(shù)計(jì)算紫外消毒系統(tǒng)的效果，結(jié)果顯示，消毒效果的預(yù)測與模型的建立、參數(shù)的設(shè)定有很大的關(guān)系。Lyn等在二維模型中加入了拉格朗日算法和顆粒流數(shù)值，結(jié)合紫外線強(qiáng)度分布模型，對比了歐拉的預(yù)測方案和拉格朗日粒子軌跡方法。
建立好紫外線光強(qiáng)分布模型和CFD模型后，將二者進(jìn)行耦合，利用消毒動(dòng)力學(xué)參數(shù)，計(jì)算紫外線設(shè)備有效劑量，最后用試驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證和完善。
1.2、化學(xué)驗(yàn)證法
化學(xué)法是利用化學(xué)反應(yīng)來測量紫外系統(tǒng)的消毒效果的。選擇合適的化學(xué)物質(zhì)，加入到紫外設(shè)備進(jìn)水中，通過檢測經(jīng)過紫外線消毒設(shè)備前后化學(xué)物質(zhì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的情況，計(jì)算照射到水中上的紫外線劑量，得到紫外系統(tǒng)的消毒效果?；瘜W(xué)物質(zhì)要求具有感光性、在紫外線的輻照下可發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，且易定量檢測等特點(diǎn)。常用的感光物質(zhì)有碘化鉀、尿苷、碘酸鉀等。化學(xué)驗(yàn)證往往應(yīng)用于驗(yàn)證高劑量區(qū)間的紫外設(shè)備。
1.3、生物驗(yàn)證法
生物驗(yàn)證法是國際上廣泛認(rèn)可的劑量認(rèn)定方法，很多國家制定了手冊，將其作為標(biāo)準(zhǔn)方法來規(guī)范認(rèn)定紫外線消毒設(shè)備的劑量。
生物驗(yàn)證是通過向紫外線消毒系統(tǒng)加入目標(biāo)微生物，測定目標(biāo)微生物的滅活率，反推紫外設(shè)備的劑量及消毒性能的。首先，用紫外平行光儀均勻照射已知濃度的目標(biāo)微生物樣品，檢測照射后微生物濃度以確定滅活率。根據(jù)紫外強(qiáng)度、暴光時(shí)間等試驗(yàn)因素，計(jì)算微生物的紫外線照射劑量，最終得到目標(biāo)微生物的紫外線劑量-滅活率曲線。然后，進(jìn)行紫外線反應(yīng)器的測試，將驗(yàn)證微生物加入到紫外線消毒系統(tǒng)的上游，在確定流量、UVT、UV功率等條件下，測定目標(biāo)微生物的滅活率。根據(jù)檢測結(jié)果以及上述紫外線劑量-滅活率曲線，可得在不同紫外燈輸出功率和不同紫外線穿透率條件下，紫外線水消毒設(shè)備處理流量-劑量關(guān)系曲線，如圖1所示。圖1中UVT為水體紫外穿透率，橫坐標(biāo)為設(shè)備所處理的流量，縱坐標(biāo)為設(shè)備的實(shí)際劑量。
圖1紫外設(shè)備處理流量與劑量關(guān)系曲線
圖1曲線類似于泵的工作曲線，因此也可以看作紫外設(shè)備的工作曲線。有了紫外設(shè)備的處理流量-劑量曲線，用戶和設(shè)計(jì)院就可以很容易地核算紫外設(shè)備廠家所提供的設(shè)備方案是否能滿足處理負(fù)荷下的目標(biāo)劑量，從而確保所選擇的紫外設(shè)備的消毒性能滿足要求。當(dāng)然，考慮到實(shí)際運(yùn)行中燈管老化和燈管套管表面結(jié)垢因素，在劑量計(jì)算中需要用可靠的老化系數(shù)和結(jié)垢系數(shù)進(jìn)行修正，以確保紫外設(shè)備的消毒性能在運(yùn)行中不受這些因素的影響。老化系數(shù)與結(jié)垢系數(shù)如何取值，也有相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，可以參考本文第2節(jié)的相關(guān)介紹。
1.4、熒光微球法
熒光微球法與化學(xué)法類似，使用熒光微球，通過檢測經(jīng)過紫外線消毒設(shè)備前后微球發(fā)光的情況，計(jì)算照射到微球上的紫外線劑量。熒光微球是由特殊材料制成，在紫外線的輻照下，可以產(chǎn)生發(fā)光基團(tuán)，且其發(fā)光強(qiáng)度與接收到的紫外線劑量成線性關(guān)系。因此，通過檢測微球經(jīng)過紫外線系統(tǒng)后發(fā)出熒光的強(qiáng)度來計(jì)算紫外線效果。
1.5、熒光探頭監(jiān)測法
原位熒光微探頭具有近似360°響應(yīng)的特性，將此探頭置于管式紫外線設(shè)備腔體內(nèi)，檢測不同位置的紫外線強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)腔體內(nèi)紫外線強(qiáng)度在線分布檢測，模擬水中致病菌接受紫外輻射的效果，進(jìn)而通過計(jì)算預(yù)測其劑量。
通過總結(jié)幾種主要的紫外線劑量認(rèn)定方法，發(fā)現(xiàn)計(jì)算模型法雖然可以通過直接假設(shè)或模擬紫外消毒系統(tǒng)中紫外線強(qiáng)度分布和流場分布，經(jīng)濟(jì)快捷地計(jì)算設(shè)備的紫外線劑量，但其模型中的一些假設(shè)或參數(shù)往往與實(shí)際不符。因此，依靠理論模型計(jì)算得出紫外消毒系統(tǒng)的效果與實(shí)際劑量是有偏差的，特別是光強(qiáng)分布模型中的UVDIS計(jì)算得到的劑量遠(yuǎn)高于設(shè)備的實(shí)際劑量，導(dǎo)致消毒不達(dá)標(biāo)和供水安全的風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算流體力學(xué)模型法雖然定性趨勢上與實(shí)際劑量變化趨勢相同，但量上存在偏差，因此這種方法一般多用于紫外消毒器流場與燈管排布的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但不用于設(shè)備實(shí)際劑量的計(jì)算。用探頭測定光強(qiáng)，進(jìn)而計(jì)算劑量或者直接采用功率去計(jì)算劑量也無法準(zhǔn)確計(jì)量微生物接受到的實(shí)際劑量。目前，最為法規(guī)制定和執(zhí)行部門所接受、也是最可靠的方法的是生物驗(yàn)證法，很多國家已將其列為紫外設(shè)備實(shí)際劑量認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)方法。對于飲用水應(yīng)用，主要西方國家和我國都要求紫外設(shè)備必須經(jīng)過行業(yè)內(nèi)權(quán)威獨(dú)立第三方的生物驗(yàn)定劑量驗(yàn)證，并用驗(yàn)證得到的設(shè)備流量-劑量曲線來進(jìn)行設(shè)備規(guī)模設(shè)計(jì)，沒有經(jīng)過生物驗(yàn)證的設(shè)備是不能采購的，這是出于確保供水安全的需要。
目前，美國的Hydroqual和Carollo咨詢公司以及加拿大的Dillion公司都是國際紫外行業(yè)內(nèi)比較公認(rèn)的有經(jīng)驗(yàn)和資質(zhì)做紫外設(shè)備生物驗(yàn)定劑量驗(yàn)證的獨(dú)立第三方單位。我國這方面尚處于起步階段，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院也在籌備建立我國第一個(gè)紫外設(shè)備生物驗(yàn)證平臺，以促進(jìn)紫外線消毒技術(shù)在我國得到健康發(fā)展，保障公眾利益。
2、生物驗(yàn)證規(guī)范
基于保障公眾利益的必要性，世界各國政府和監(jiān)管機(jī)構(gòu)針對紫外設(shè)備生物驗(yàn)證方法推出了各自的驗(yàn)證規(guī)范體系。國際公認(rèn)的飲用水驗(yàn)證規(guī)程有O-Norm（奧地利）、DVGW（德國）、NSF（美國）、UVDGM（美國），其中運(yùn)用最廣的是德國的DVGW標(biāo)準(zhǔn)和美國的UVDGM指南。雖然這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有所差異，但根本要求是相同的，即都要求紫外設(shè)備的劑量用生物驗(yàn)證法認(rèn)定。
對比國內(nèi)外驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，美國UVDGM手冊適用范圍相對較小。UVDGM手冊主要針對公共供水系統(tǒng)消毒，手冊中涵蓋了實(shí)施紫外線消毒系統(tǒng)的許多方面，但并沒有全面介紹所有類型的紫外線消毒系統(tǒng)、設(shè)計(jì)替代方案以及驗(yàn)證協(xié)議。德國DVGW標(biāo)準(zhǔn)適用于所有紫外線殺菌設(shè)備，目標(biāo)病原體涵蓋范圍廣。中國《紫外線水消毒設(shè)備紫外線劑量測試方法》（GB/T 32092—2015）分別對飲用水、再生水和污水規(guī)范了不同的目標(biāo)微生物，涉及范圍廣。表1為國內(nèi)外驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)的對比，這些規(guī)范指導(dǎo)原則不同，但都推動(dòng)了紫外線技術(shù)在全球范圍內(nèi)的推廣和運(yùn)用，為公共飲用水安全保障做出了貢獻(xiàn)。
表1國內(nèi)外驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)的對比
2.1、美國UVDGM手冊
美國環(huán)境保護(hù)局于2006年頒布了UVDGM手冊。在手冊中對紫外線消毒設(shè)備的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和運(yùn)行做了規(guī)范說明，概述了運(yùn)用現(xiàn)有的紫外設(shè)備，應(yīng)如何處理指定微生物以使其喪失活性，并提出了針對指定微生物的紫外線輻射劑量要求，是世界上應(yīng)用最廣、最權(quán)威的規(guī)范之一。與其他驗(yàn)證方法相比，UVDGM可根據(jù)前處理情況及測試結(jié)果靈活選擇紫外線劑量。
UVDGM手冊中規(guī)范了使用非致病性驗(yàn)證微生物檢測紫外線消毒設(shè)備的方法。在理想情況下，驗(yàn)證微生物對紫外線的敏感性應(yīng)盡可能與目標(biāo)微生物相近。如果使用中壓燈，則微生物應(yīng)顯示出相似的譜圖。此外，驗(yàn)證微生物的應(yīng)具有下面的特點(diǎn)：
（1）容易培養(yǎng)和定量，結(jié)果可重復(fù)；
（2）可培養(yǎng)出高濃度的微生物樣品；
（3）具有長期穩(wěn)定性（在進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場使用和計(jì)數(shù)過程中不影響活力或紫外線劑量響應(yīng)）。
（4）如果驗(yàn)證微生物是噬菌體，用來檢測噬菌體濃度的宿主細(xì)菌對人類不具有致病性。
手冊中指出，MS2噬菌體和枯草芽孢桿菌孢子常被用于驗(yàn)證紫外線對隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲的消毒效果。T1和T7噬菌體由于抗紫外性明顯大于隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲，目前正備受青睞。其他可用于驗(yàn)證測試的驗(yàn)證微生物包括無致病性的大腸桿菌、酵母菌、Qβ噬菌體等。
不同的微生物需要不同劑量的紫外線來滅活。因此，對于任何紫外線系統(tǒng)，必須清楚需要滅活的微生物。表2介紹了滅活不同病原微生物所需的紫外線劑量。例如，要滅活99%(2 log)的隱孢子蟲需要5.8 mJ/cm2。要滅活99.99%（4 log）需要22 mJ/cm2。
表2不同目標(biāo)微生物所需的紫外線劑量
此外，UVDGM中還提到了另外兩種檢測方法。一種是通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）預(yù)測微生物通過紫外線消毒設(shè)備的軌跡，從而預(yù)測照射到微生物的紫外線劑量；另一種是使用熒光微粒，通過檢測經(jīng)過紫外線消毒設(shè)備前后微粒發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的情況計(jì)算照射到微粒上的紫外線劑量。目前模型與試驗(yàn)方法仍在研究中，尚未有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
總體來看，UVDGM手冊更加靈活，MS2噬菌體比枯草芽孢桿菌的適用范圍更廣，但是需要專業(yè)的第三方測試機(jī)構(gòu)和監(jiān)督機(jī)構(gòu)，執(zhí)行和控制在國內(nèi)可能有一定實(shí)際困難，體現(xiàn)在缺乏這方面的單位和機(jī)構(gòu)，這也是國內(nèi)紫外技術(shù)應(yīng)用亟須填補(bǔ)的一個(gè)空白。
2.2、德國DVGW標(biāo)準(zhǔn)
德國燃?xì)饧帮嬘盟畢f(xié)會(huì)于1994年推出第一份DVGW文件（DVGW W 293:1994-10），規(guī)范了紫外線消毒設(shè)備的功能和應(yīng)用，在1997年推出了第二份DVGW文件（DVGW W 294:1997-10），規(guī)范了紫外線消毒設(shè)備的設(shè)計(jì)、流動(dòng)力等方面。這些年，紫外線消毒設(shè)備在結(jié)構(gòu)、操作概念和操作方法要求方面有了相當(dāng)大的改進(jìn)，且這兩份文件在內(nèi)容上密切相關(guān)，2006年進(jìn)行了聯(lián)合修訂和合并，即最新版DVGW標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，絕大多數(shù)的有害病原微生物暴露在400 J/m2的C波段紫外線環(huán)境中是不能存活的。因此，要求紫外線消毒系統(tǒng)在任何條件下，最低紫外輻射劑量為400 J/m2，即常用的飲用水紫外線劑量標(biāo)準(zhǔn)為40 mJ/cm2。
此標(biāo)準(zhǔn)分為三部分。第1部份“紫外線消毒設(shè)備的組成、功能及操作的要求”涵蓋了紫外線消毒的基本原理及應(yīng)用范圍，是w293的延續(xù)，面向制造商、設(shè)計(jì)師和最終用戶。第2部分“組成、功能和消毒效果的測試”是w294的延續(xù)，介紹了紫外線消毒設(shè)備的測試方法，針對紫外線消毒設(shè)備制造商和檢測中心。第3部分“紫外線消毒設(shè)備監(jiān)測窗及傳感器”是新訂部分，適用于紫外線傳感器制造商及照明工程測試中心。
DVGW標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)定義了微生物檢測方法，用生物劑量驗(yàn)證法測定紫外線消毒設(shè)備的輸出劑量，并選定枯草芽孢桿菌作為目標(biāo)微生物，系統(tǒng)中至少需安裝一個(gè)固定式紫外傳感器以連續(xù)檢測殺菌器內(nèi)的紫外輻射狀況并保證其不低于規(guī)范最低值。此外，還統(tǒng)一了紫外傳感器的型號。
制造商必須通過提供DVGW認(rèn)證，證明其符合本工作表的相關(guān)要求以及任何必要的附加要求。在向DVGW認(rèn)證中心申請時(shí)，需要在DVGW認(rèn)證中心認(rèn)可的測試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行本節(jié)規(guī)定的樣機(jī)測試。
2.3、我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
2005年我國頒布了《城市給排水紫外線消毒設(shè)備》（GB/T 19837—2005），規(guī)范了城市給排水紫外線消毒設(shè)備的分類、技術(shù)要求、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，紫外線消毒裝置用于飲用水消毒時(shí)，紫外線的生物驗(yàn)證劑量應(yīng)不小于40 mJ/cm2。這一標(biāo)準(zhǔn)的頒布推動(dòng)了紫外線消毒技術(shù)的進(jìn)步，規(guī)范了紫外線消毒設(shè)備市場。
2015年我國頒布了《紫外線消毒技術(shù)術(shù)語》（GB/T 32091—2015）和《紫外線水消毒設(shè)備紫外線劑量測試方法》（GB/T 32092—2015），標(biāo)準(zhǔn)中對紫外線設(shè)備的劑量測試作出了說明，采用生物驗(yàn)證檢測紫外線反應(yīng)器消毒效果的方法。首先利用準(zhǔn)平行光束儀表征目標(biāo)微生物的紫外劑量響應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。
圖2 UV消毒系統(tǒng)劑量驗(yàn)證過程
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了適用于不同水質(zhì)的驗(yàn)證微生物，對飲用水和再生水消毒設(shè)備的劑量驗(yàn)證，應(yīng)選擇MS2。對于污水，應(yīng)選擇T1或糞大腸桿菌作為驗(yàn)證微生物，其中T1和糞大腸桿菌的劑量為2.5~25 mJ/cm2，MS2適用的劑量為10~120 mJ/cm2。在驗(yàn)證試驗(yàn)中，準(zhǔn)平行光試驗(yàn)和現(xiàn)場消毒設(shè)備滅活試驗(yàn)應(yīng)在同一天進(jìn)行。此外，標(biāo)準(zhǔn)中除了詳細(xì)說明紫外線劑量的檢測，還規(guī)范了燈管結(jié)垢系數(shù)和老化系數(shù)的測定方法。
隨著紫外消毒技術(shù)的普遍應(yīng)用，人們越來越重視紫外線消毒效果對飲用水的安全保障作用，因此，需要可靠地驗(yàn)證紫外系統(tǒng)的實(shí)際劑量來保障供水安全。目前，我國施行的《紫外線水消毒設(shè)備紫外線劑量測試方法》（GB/T 32092—2015）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范了生物驗(yàn)證的方法。而紫外線消毒系統(tǒng)的驗(yàn)證應(yīng)由獨(dú)立的第三方機(jī)構(gòu)來執(zhí)行、監(jiān)督，并出具報(bào)告。為了保證紫外線消毒系統(tǒng)的消毒性能是客觀可靠的，此第三方機(jī)構(gòu)必須是獨(dú)立的、與任何一方無利益關(guān)系的。我國目前正在積極開啟第三方驗(yàn)證中心的建設(shè)，為紫外線消毒設(shè)備提供一個(gè)權(quán)威的驗(yàn)證平臺，促進(jìn)紫外消毒技術(shù)的應(yīng)用與推廣。
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