紫外线消毒技术有着什么样的发展历史

紫外线消毒技术有着什么样的发展历史

不管是什么产品有着它发展的一个历史，有的产品是通过几代，有的产品是通过几级，那么在水处理这个行业里面有一款杀菌非常好的设备，那就是紫外线杀菌器，这样的设备没有几代也没有几级之说，但是它仍然有着自己的很好的发展历史。在水处理这个行业里面很多人都知道这样的设备的杀菌效果，它不单单只是设备有一个很好的发展，而且它的技术也得到了非常好的发展。

在城镇给水处理中，通常采用投加化学药剂（例如Cl2, ClO2, 或者O3等）的消毒方法。近些年来，研究人员发现在这些传统的化学药剂消毒过程中，会产生一些有害的消毒副产物（DBPs），如THM，HAA，以及 HBr 等。由于紫外线消毒不需要往水中投加任何化学物质，并且可以灭活一些传统化学药剂不能杀死的有害微生物，如隐性孢子菌（cryptosporidium ）和蓝氏贾地鞭毛虫（Giardia lamblia）等[1，2，3，4]，因此紫外线消毒受到了特别的重视。目前在北美和欧洲，紫外线消毒技术及其应用是一个十分活跃的研究领域，并且有越来越多的城镇给水厂采用了紫外线消毒措施。本文拟对紫外线消毒技术在给水处理中应用的发展历史及应用现状作一简单介绍。

2．紫外线消毒的发展历史

大约在1个多世纪以前，人们就开始了对紫外线消毒机理和应用的研究。早在1877年，Downs 和 Bl unt 第一次报道了关于太阳光辐射可以杀灭培养基中细菌的特性，这也揭开了人们对紫外线消毒研究和应用的序幕[5]。但是，早期的研究和应用在很大程度上受到了紫外线消毒硬件设施生产技术的局限，这主要体现在紫外灯、镇流器、紫外感应器（UV sensor）等生产技术领域。下面对紫外线消毒技术发展过程中有重要意义的发明、发现和应用作一简单回顾。

1901年，汞灯开始被用作人造紫外光源；1903年，Bernard 和 Morgan 发现了对生物最敏感的紫外光主要集中在波长250 nm 左右的区域内，Bang在1905年也报道了同样的现象[5]。1904年，Kuch 造出了第一个石英紫外灯[6]。1906年，石英开始大量被用于紫外灯生产和研究领域；1910年，在法国马赛市（Marseilles），紫外线消毒系统第一次被用于城市给水处理的生产实践中，日处理能力为200 m3/d；之后（约1911年），法国里昂市（Rouen）一个地下水源水厂也采用了紫外线消毒[7]。1916年，美国建设了第一个紫外线消毒系统，用于肯塔基州亨德森市（Henderson）12,000居民的生活用水消毒；然后在随后的几年内（1923~1928年），在俄亥俄州伯利亚市（Berea）、肯萨斯州霍尔顿市（Horton）、俄亥俄州匹兹堡市（Perrysburg）等地也陆续采用了紫外线消毒技术[6]。1929年，Gates 对紫外线消毒的机理做了深入地研究，并第一次确立了细菌的灭活[①]与核酸对紫外线的吸收之间的联系[7]。从1887年到1930年可以划为紫外线给水消毒发展的第一个阶段，在这个阶段，紫外线消毒系统的生产技术有了初步的发展，人们对消毒机理有了基本的认识，同时紫外线消毒技术已经开始被应用于生产实践。

20世纪30年代中后期，紫外线消毒的研究和应用出现了一次低谷，这主要是由于紫外灯的寿命、设备的操作和维护以及消毒处理效率和成本等问题造成的。在此期间，大部分水厂都采用了技术相对成熟、操作简单、效益较好的氯消毒取代了紫外线消毒。1938年，美国Westinghouse Electric 公司展出了第一个荧光气体放电管状紫外灯（简称“荧光灯”），至此紫外灯的寿命和输出功率得到了逐步的提高。20世纪40年代，紫外灯及镇流器的生产技术得到了进一步的提高，这为以后紫外线消毒技术的使用和推广奠定了基础[8]。

20世纪50年代，由于一些化学药剂消毒副产物的发现以及在紫外灯及相关设备生产技术的不断提高，紫外线消毒技术的研究和应用又得到了全面的重视。特别是在欧洲，紫外线消毒技术再次被广泛应用于城镇给水处理之中。1955年，瑞士和奥地利开始采用紫外线给水消毒技术，到了1985年这两个国家分别大约有500和600个紫外线消毒设施已经投入使用[7]。另外，比利时、挪威和荷兰也分别在1957年、1975年和1980年开始在城市给水中投入使用紫外线消毒技术（值得一提的是，比利时1957年建设的紫外线消毒系统至今仍然在运转）。到1996年为止，欧洲大约有2,000多个饮用水处理设施采用了紫外线消毒系统[7，9]。虽然紫外线给水消毒技术在欧洲已经得到了较为广泛的应用，但是在1989年美国环境保护署（U S Environmental Protection Agency，简称“USEPA”）颁布的地表水处理条例（Surface Water Treatm

ent Rule，简称“SWTR”）中，紫外线消毒技术仍然被认为不能有效灭活水中蓝氏贾第鞭毛虫（Giardia lamblia）、隐性孢子菌（Cryptosporidium parvum）等水中有害病原菌，因此在美国仍然没有得到重视。从1990年，美国水工业协会（AWWA）以及美国水工业研究基金会（AWWARF）才开始投入大量资金对紫外线消毒技术展开全面系统的研究。这段时期（从20世纪50年代初到90年代中期）可以看作是紫外线给水消毒发展的第二个阶段。在该阶段，紫外线给水消毒技术又重新被重视起来，并且在欧洲开始被广泛应用于城市给水消毒中。另外，在该时期紫外灯及相关系统设备生产技术得到了很大的提高，大量企业开始涉足于紫外线消毒系统的生产、安装以及配套服务的商业活动中。

1998~2000年期间，大量的研究发现紫外线消毒技术对Cryptosporidium和Giardia有很好的灭活效果[1，2，10，11]。同时在2000年USEPA颁布的地下水消毒条例（Groundwater Disinfection Rule, 简称“GWDR”）正式提到，对于杀活传统消毒方法不能有效控制的有害病原微生物，紫外线消毒技术是最佳选择之一[12]。1999年，国际紫外线协会（International Ultraviolet Association，简称“IUVA”）成立，在国际上进一步促进了紫外线在各领域中应用技术的研究和交流。2002年，USEPA颁布的增强地表水处理条例草案（Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule，简称“LT2ESWTR”）以及消毒剂及消毒副产物条例草案中，紫外线消毒技术被给予了特别的重视，被认为是取代传统消毒技术的最重要、最有效和最可行的消毒技术之一。另外在20世纪90年代末，欧洲各国也颁布了一些有关紫外线给水消毒的规定和标准。从1998年开始，对紫外线消毒的重大发现以及IUVA的成立标志着紫外线给水消毒的应用和研究又进入了一个新的阶段。

从上面的发展过程可以看出，虽然早在100多年前人们就开始了对紫外线消毒技术的研究和应用，但是真正的重视和广泛的应用的时间却并不长。在1998年以前，世界上紫外线消毒技术在城市给水处理中的应用主要集中在处理能力小于200 m3/h的中小型水厂。1998年以后，由于在紫外线消毒技术领域的一些突破性研究成果的发表，紫外线消毒技术才开始应用于一些大规模的城市给水处理之中。例如在1998~199 9年间，芬兰赫尔辛基市（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitkäkoski给水厂分别进行了改建，增加了紫外线消毒系统，总处理能力约为12,000 m3/h[13]；加拿大埃德蒙顿市（Edmonton）EL Smith 给水厂在2 002年左右也安装了紫外线消毒设施，日处理能力为15,000 m3/h[14]。

3．紫外线消毒技术的应用现状

3.1 紫外线消毒系统的经济指标及处理效果

经过近100多年的发展，紫外线消毒系统设备（包括紫外灯、镇流器、紫外感应器、灯管清洗装置及反应器控制系统等）的生产技术有了很大的提高。这大大的降低了紫外线消毒系统的运行费用，提高了其运行的稳定性，为紫外线消毒技术的广泛应用提供了前提条件。根据Malley的研究，每1m3/d设计处理能力的紫外线消毒系统建设费用约为10~20美元，每处理1立方米进水的日常运行维护费用约为0.002~0.00 7美元；低压紫外灯消毒系统适用于小型给水处理设施，中压紫外灯消毒系统对于处理能力高于8,000 m3 /d的给水处理设施更适合[15]。对于不同规模的紫外灯给水消毒系统，其建设费用和运行管理费用的构成比例是不同的。由表1可以看出，日处理能力越大的系统，紫外灯系统设备费在建设费用中所占的比例越小，而电费在运行管理费用中的比例却越大[16]。与其他类似水处理技术相比较，紫外线消毒具有投资较少、操作简单、占地面积小、处理效果较好等优点。

另外，近年来对紫外线消毒性能的大量研究表明紫外线对水中一些顽固的有害微生物，如隐性孢子菌（Cryptosporidium）、蓝氏贾地鞭毛虫（Giardia lamblia）、军团菌（Legionella pneumophila）、沙门氏菌（Salmonella spp.）等，具有良好的灭活效果另外还可以将水中的一些难分解有机污染物，如腐殖酸、MTBE、TCE、NDMA以及TNT等，氧化分解为简单产物水、二氧化碳等。

3.2 各国对紫外线给水消毒处理的规定及应用

紫外线消毒技术的这些优点彻底改变了以前人们对其的看法，成为备受世界各国广泛关注的一种给水消毒技术。下面就简单列举一些国家或地区目前应用紫外线给水消毒技术的情况及有关规定。

美国

如上文所述，为了提高生活用水安全，减少水中有害微生物及消毒副产物，美国在2002年颁布了增强