中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430010
摘 要：简述了国内外饮用水紫外线组合消毒技术的研究成果与应用发展历程，通过实地调研发现国内多数水厂在运行半年至两年后紫外设备停用的现状，分析其停用的原因。通过三个典型案例分析讨论了紫外线组合消毒技术的运行参数，结果表明紫外线组合消毒工艺对微生物灭活效果更好，使用的化学药剂的剂量更少，消毒副产物的风险降低，更能提升饮用水的口感，保障饮用水的健康，是未来饮用水消毒技术发展的趋势之一。
消毒是保障饮用水生物安全性的重要环节，有液氯消毒、次氯酸钠消毒、氯胺消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒等多种形式。化学消毒剂的使用均存在各自消毒副产物风险，单一消毒方式可能导致某些副产物超标。因此，组合消毒作为一种集成技术，可发挥多种技术协同消毒的优势，扬长避短，有效控制消毒副产物产生。其中，紫外线组合消毒技术以其独特的优势，受到广泛关注、研究与应用。
2.1国外发展现状
紫外线消毒技术在欧洲和北美起步较早，全世界第一家应用紫外线消毒的水厂就在法国马赛，欧洲已经3000套以上的紫外线消毒设备，该技术在北美也得到大规模应用。
美国2006年公布了第二阶段强化地表水处理法规（LT2ESWTR），其中规定：饮用水处理过程中必须去除或灭活3log的贾第鞭毛虫，4log的病毒，4log的隐孢子虫，由于氯消毒对隐孢子虫几乎没有效果，LT2ESWTR要求现有水厂使用过滤加紫外线或臭氧的消毒工艺，而新水厂则需使用过滤和多级组合式消毒工艺。这一法规促进了紫外线消毒技术的发展。
2.2国内发展历程
相较于欧美国家来说，国内在紫外线消毒技术方面的研究与应用起步较晚，但顺势发展速度快。“十一五”、“十二五”期间，国家水专项进行了多项该技术的系列研究，包括微污染江河原水高效净化关键技术及示范（2008ZX07421-004）、南水北调京津受水区供水安全保障技术研究与示范（2012ZX07404-002）等，考察了中压和低压紫外与多种化学消毒剂组合使用的工艺参数，以及出水生物与化学安全性的风险情况。研究发现，紫外线消毒是广谱性zh的消毒技术，特别是对抗氯性的隐孢子虫、贾第鞭毛虫（后简称“两虫”）等有显著的杀灭效果，而且作为物理手段没有消毒副产物的问题。但紫外线没有持续消毒作用，无法保证供水管网中的生物稳定性，因此需要与化学消毒剂组合使用，形成多屏障消毒技术。紫外线组合消毒在扩大微生物控制覆盖的同时，减少化学药剂的使用量，从而降低消毒副产物的生成，zd程度地提高供水安全。并且制定了zj紫外辐射剂量的确定方法，探明了辐射剂量常用范围、最短水力停留时间、微生物的灭活效果以及副产物控制技术。目前与紫外联用的消毒剂主要有：氯、次氯酸钠、氯酸盐、氯胺、臭氧、过氧化氢等。在大量研究基础上，2005年制定了《城市给排水紫外线消毒设备》（GB/T 19837）标准，规定紫外线消毒设备应保证在处理峰值流量下、紫外灯运行寿命终点时并考虑紫外灯管结垢影响后，紫外线的有效剂量不低于40mJ/cm²。2018年，在《室外给水设计标准》（GB/T 50013）中也细化了有关紫外线消毒的相关要求，以指导国内紫外线组合消毒技术的推广应用。自2009年，我国sg采用紫外+氯消毒技术的天津泰达供水厂正式通水投产，北京、上海等一线城市供水厂也相继开始应用紫外组合消毒技术，并逐渐向全国范围内推广。三卤甲烷、卤乙酸、溴酸盐等消毒副产物以及“两虫”等抗氯微生物得到了稳定控制，出水水质达到生活饮用水卫生标准。
目前，紫外组合消毒在饮用水行业的使用数量仍然相对较少，下表列举了部分国内外采用紫外组合消毒技术的水厂。
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水厂名称
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位置
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消毒工艺
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规模
（万m3/d）
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临江水厂
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上海
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紫外+氯/氯胺
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60
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郭公庄水厂
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北京
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紫外+氯
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50
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北京第十水厂
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北京
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紫外+氯胺
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50
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纳金自来水厂
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拉萨
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紫外+氯
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50
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玉清水厂
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济南
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紫外+氯
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40
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新城自来水厂
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淄博
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紫外+氯
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30
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天津泰达水厂三期
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天津
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紫外+氯
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15
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观音埔水厂
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福清
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紫外+二氧化氯
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15
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十堰市第三水厂
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十堰
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紫外+氯
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10
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门头沟门城水厂
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北京
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紫外+氯胺
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10
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平谷区地下水厂
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北京
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紫外+次氯酸钠
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9.5
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天津汉沽水厂二期
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天津
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紫外+氯
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5
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上南水厂
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深圳
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紫外+氯
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2.5
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环洱海六座水厂
（师专、银桥、喜洲水厂等）
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大理
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紫外+二氧化氯（或氯）
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共计21
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西雅图水厂
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美国
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紫外+臭氧+氯
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68
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Poughkeepsie water works
波基普西水处理厂
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美国
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紫外+次氯酸钠
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4
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鹿特丹水厂
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荷兰
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紫外+氯
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47
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PWN水厂
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荷兰
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紫外+过氧化氢
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9.6
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圣彼得堡水厂
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俄罗斯
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紫外+次氯酸钠
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86
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Styrum-Ost水厂
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德国
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紫外+氯
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19.2
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North East Water水厂
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澳大利亚
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紫外+氯
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0.15
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紫外组合消毒技术正在推广，以进口设备为主，管道式中压、低压高强两种方式，根据统计，按照目前国内外的紫外线消毒剂量标准（40mJ/cm2），紫外线设备的投资成本约为400元/m3/d，进口设备略贵于国内设备。紫外线消毒运行成本在常规剂量下，在0.006～0.02元/m3间。实地调研发现，多数水厂在运行半年至两年后，停用紫外设备，改为化学消毒，其原因如下。（1）紫外线组合消毒可以解决传统的氯消毒方式难以去除水中抗氯性致病微生物的问题和生物活性炭出水的微生物安全问题，但是绝大多数水厂并不具备检测隐孢子虫、贾第虫指标的能力，且居民多饮用熟水，微生物风险得到了显著控制，紫外组合消毒优势未从感官上体现。（2）利用紫外线消毒工艺减少化学消毒剂的投加量（氯系消毒剂投加量不超过1mg/L），从而控制消毒副产物的产生，但是三卤甲烷、卤乙酸等消毒副产物不是水厂常规检测指标，更多痕量的消毒副产物绝大多数水厂更是不具备检测能力，而且，实际应用中，大多水厂并未减少化学消毒剂的用量，紫外组合消毒在控制化学风险上的优势体现不明显。（3）有研究指出，紫外照射后，会增加消毒副产物的产生，其实，消毒副产物是否增加，取决于紫外线的辐射剂量。如果将紫外应用于高级氧化，在高剂量下运行，确有增加消毒副产物的风险，但是用于消毒的剂量较低（按照国标要求40mJ/cm2），在安全剂量内，不会增加消毒副产物的产生。（4）该技术在应用中缺乏成熟的运行管理制度和标准指导水厂运行，且运维管理费用较高。
虽然多数水厂已停用紫外设备，但是国内仍不乏持续运行的成功应用案例，例如北京郭公庄水厂和上海临江水厂，都是水专项研究的示范工程水厂，且目前自行开展了大量试验研究，以继续探究紫外组合消毒技术的效果，现进行国内外典型案例分析。
4.1 案例一：北京郭公庄水厂
郭公庄水厂是配合南水北调总体水资源配置规划，为消纳南水而新建的水厂，采用紫外-氯联合消毒技术，是国内应用该技术的新建大型水厂，工艺流程如图1所示。
其设计处理水量50万m³/d，紫外设定剂量40mJ/cm²，根据来水水量实际剂量可在40~70mJ/cm²内调整。紫外线消毒间与膜车间合建，共分2个系列为半地下式，为进清水池前的生产水进行紫外线消毒。紫外线消毒设备数量8套，每套功率77kW；每套设备含紫外线灯管6根。采用8套设备并列排布运行，分由8个紫外装置与进水管相连接，每个紫外装置内有6根紫外灯管。紫外设备选用加拿大特洁安品牌，型号UVSwiftTM30，功率为21kW，由紫外反应器、温度开关、液位开关、AccUVSensorMT紫外传感器、ActiCleanTM清洗系统及电控柜组成。相比于传统的低压灯管，水厂紫外设备采用的中压灯管的工作强度更高。系统中高强度灯管的输出是可控的，以适应水质或水流量的变动，30-100%五级调节，从而自动实现目标剂量。目前已运行多年，按厂家要求每半年进行维护性检修一次，未进行灯管更换，设备未出现较大故障。郭公庄水厂自2014年9月30日通水以来，工艺运行平稳，出厂水水质合格率100%。制水成本2.2元/吨水，其中原水费1元/吨水，水处理费1.2元/吨水，紫外成本小于0.1元/吨水。为对比不同的消毒方式的mj效果，分别选取了郭公庄水厂、门城水厂和水源九厂的出厂水进行检测，它们的消毒方式分别为紫外+氯、氯和氯胺消毒。实验发现，采用任何消毒方式对微生物的灭活均有效果。采用紫外+氯消毒工艺出水中的微生物数基本控制在50CFU/ml以内，而采用氯消毒工艺和氯胺消毒工艺出水中的微生物数基本在100~200CFU/ml以内。对比三种消毒方式的出水中的微生物数量，采用紫外+氯消毒方式对水中的微生物灭活效果更好。继续对北京市供水管网中生物膜的分析表明，采用紫外联合氯消毒后，管网生物膜中微生物菌落种类和群数都大大减小。
4.2 案例二：上海临江水厂
临江水厂是2010年上海世博会世博园及其周边地区供水水厂。工程中采用多项先进的技术与工艺，其中的关键技术是臭氧生物活性碳功能强化与紫外组合消毒技术。针对上海黄浦江原水存在两虫和臭氧生物活性炭微生物泄露问题，引进消化吸收采用紫外与氯/氯胺组合消毒技术，形成多级屏障的饮用水安全消毒工艺，保证出水的微生物指标。紫外线消毒车间共有4组紫外线发生器，处理活性炭滤池滤后水，设计水量60万m³/d，首次在我国自来水厂应用低压紫外灯，采用德国WEDECO公司K12-5(7)/143型紫外线mj系统，每组紫外线发生器配有5个灯组，每个灯组有12个紫外线低压灯管，功耗88kW，设计zd紫外线剂量40mJ/cm²，实际生产中紫外剂量为12~27mJ/cm²，对出水xj的对数去除率进行核算，根据进水水量水质实时调节辐射剂量。紫外线消毒对xj的对数去除率在2.1~2.9log之间，紫外出水xj数范围在9~191CFU/mL，经氯胺顺序消毒，剂量为2mg/L，出厂水xj数为0CFU/mL，抽检未检出大肠菌，消毒副产物与单氯消毒区别不明显。其他水质达到国家水质标准GB5749-2006的要求，在浊度、CODMn、嗅味等指标也明显改善。
4.3 案例三：美国波基普西水处理厂Poughkeepsiewater works
波基普西水处理厂始建于1869年，是全美第一家自来水厂，以哈德逊河为水源，经2004年、2016年两次升级改造，采用了“混凝+沉淀+臭氧生物活性炭+紫外联合次氯酸钠消毒”工艺。紫外车间共6组紫外线反应器，处理活性炭滤池后水量10MGD，约4万m³/d，每组反应器设计投加剂量45mJ/cm²，但紫外灯，只有低中高三档位调节辐射剂量，由于实际运行水量不足，实际投加剂量为90mJ/cm²。水厂水源有多氯联苯等化学品微污染问题，经过紫外线消毒后，维持余氯量约2.3mg/L，出水总三卤甲烷7.6ug/L（标准限值80ug/L），出水总卤乙酸7.1ug/L（标准限值60ug/L），两虫未检出。
（1）饮用水紫外组合消毒是多级屏障工艺体系，以紫外为主消毒工艺，通过不同消毒方式之间的优势互补，实现多屏障消毒及安全消毒的效果，覆盖绝大部分微生物灭活，解决了传统的氯消毒方式难以去除水中抗氯性致病微生物的问题，以及生物活性炭出水的微生物安全问题，对管网中的生物安全性也有正向作用，保障饮用水微生物健康安全。（2）其他化学药剂作为副消毒，目的是维持管网余氯，可以减少其剂量，消毒方式更生态，更绿化；同时，化学药剂剂量减少，消毒副产物风险降低。（3）随着高品质用水的需求不断提高，人们更关注健康和口感，紫外组合消毒技术是有效手段之一，是未来发展的方向。（4）为应对我国复杂多变的饮用水源水质现状，大范围推广应用该项技术，有些问题仍有待进一步研究，包括紫外灯的评价体系、紫外线消毒效果评价体系、设计紫外线消毒剂量确定、紫外线消毒系统智慧化运行等。
编辑：李卿
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