世界上首次應用紫外線(xiàn)消毒的給水廠(chǎng)是法國馬賽水廠(chǎng)，緊接著(zhù)法國里昂水廠(chǎng)也開(kāi)始應用，隨后紫外線(xiàn)消毒技術(shù)得到全面推廣。目前，西方發(fā)達國家有4 000多家給水廠(chǎng)使用紫外線(xiàn)消毒，其中包括德國的斯提羅姆-奧斯特水廠(chǎng)、荷蘭的鹿特丹水廠(chǎng)、加拿大維多利亞水廠(chǎng)、美國西雅圖和紐約等大型水廠(chǎng)。我國在20世紀60年代初就有關(guān)于紫外線(xiàn)用于飲用水消毒的報道，但直到80年代才開(kāi)始應用，目前應用案例有天津開(kāi)發(fā)區水廠(chǎng)、上海臨江水廠(chǎng)、北京郭公莊水廠(chǎng)等。
紫外線(xiàn)消毒效果與紫外設備投射的紫外線(xiàn)劑量直接相關(guān)，紫外線(xiàn)劑量指單位面積上接收到的紫外線(xiàn)能量。與化學(xué)消毒不同的是，紫外線(xiàn)沒(méi)有殘留，因此不能通過(guò)監測剩余濃度來(lái)確定釋放的劑量。紫外線(xiàn)傳感器可以測量紫外光強，但是當微生物以不同的軌跡通過(guò)反應器時(shí)，傳感器無(wú)法測量照射到微生物的紫外線(xiàn)劑量。因此，為了確保紫外線(xiàn)對微生物的滅活效果，保障飲用水安全，推動(dòng)紫外線(xiàn)技術(shù)的健康發(fā)展，必須了解紫外線(xiàn)消毒設備的消毒性能是如何認定的。
本文介紹了目前常用的紫外線(xiàn)消毒設備劑量認定方法，簡(jiǎn)要分析了各類(lèi)方法的特點(diǎn)，并對國際上的劑量驗證標準做了簡(jiǎn)要概述，對比分析了我國的標準及現狀，為紫外線(xiàn)消毒技術(shù)的推廣與應用提供支持。
1、主要的紫外線(xiàn)消毒效果認定方法
目前，認定紫外設備消毒性能，即其投射的紫外線(xiàn)劑量的方法主要有以下幾種：計算模型法、化學(xué)法、生物法、熒光微球法、紫外線(xiàn)強度監控法。
1.1、計算模型法
計算模型法是理論方法，包括紫外線(xiàn)強度分布模型和計算流體力學(xué)模型。其中，紫外線(xiàn)強度模型是基于光學(xué)和幾何學(xué)原理，通過(guò)計算紫外線(xiàn)在反應器中的輻照情況，獲得紫外線(xiàn)強度分布模型，從而推算紫外線(xiàn)劑量。常見(jiàn)的紫外線(xiàn)強度分布模型有MPSS、MSSS、LSI、RAD-LSI和DO。
1970年，Jacob和Dranoff開(kāi)發(fā)了MPSS模型，將線(xiàn)光源等分成n段相等的點(diǎn)光源，采用多點(diǎn)源疊加的方法計算反應器接收到的紫外線(xiàn)強度。1997年，Blatchley在MPSS基礎上提出LSI模型，該模型不考慮紫外線(xiàn)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)數趨近于無(wú)窮，簡(jiǎn)化計算。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算接收點(diǎn)的光強，是MPSS模型的擴展，且MSSS模型除了考慮介質(zhì)對紫外線(xiàn)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，將近燈管區域部分采用線(xiàn)光源的模型計算紫外線(xiàn)強度。DO模型是求解熱輻射的方法，考慮熱量通過(guò)各介質(zhì)時(shí)的吸收與分散作用，應用有限。針對紫外線(xiàn)強度分布模型，市場(chǎng)上開(kāi)發(fā)了計算軟件，常見(jiàn)的有UV Calc軟件（James R Boltan開(kāi)發(fā)）和UVDIS軟件（美國EPA開(kāi)發(fā)）等。其中，很多紫外設備廠(chǎng)家使用UVDIS軟件，用這個(gè)軟件計算出來(lái)的紫外線(xiàn)劑量也叫UVDIS劑量，它實(shí)際上是基于紫外線(xiàn)光強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。
流體力學(xué)模型是基于模擬流體流動(dòng)的計算機技術(shù)，計算微生物通過(guò)紫外線(xiàn)消毒系統的軌跡，研究反應器的水力特性。在20世紀80年代，Romero等就已經(jīng)建立了關(guān)于環(huán)形紫外線(xiàn)消毒系統的流體動(dòng)力學(xué)控制方程，后期隨著(zhù)計算機的普及，人們開(kāi)始用CFD技術(shù)建立流體模型，解決涉及流體工程的問(wèn)題。目前，常見(jiàn)的CFD軟件有Phoenics、Cham、Fluent等。Unluturk等使用CFD技術(shù)計算紫外消毒系統的效果，結果顯示，消毒效果的預測與模型的建立、參數的設定有很大的關(guān)系。Lyn等在二維模型中加入了拉格朗日算法和顆粒流數值，結合紫外線(xiàn)強度分布模型，對比了歐拉的預測方案和拉格朗日粒子軌跡方法。
建立好紫外線(xiàn)光強分布模型和CFD模型后，將二者進(jìn)行耦合，利用消毒動(dòng)力學(xué)參數，計算紫外線(xiàn)設備有效劑量，最后用試驗對其進(jìn)行驗證和完善。
1.2、化學(xué)驗證法
化學(xué)法是利用化學(xué)反應來(lái)測量紫外系統的消毒效果的。選擇合適的化學(xué)物質(zhì)，加入到紫外設備進(jìn)水中，通過(guò)檢測經(jīng)過(guò)紫外線(xiàn)消毒設備前后化學(xué)物質(zhì)發(fā)生光化學(xué)反應的情況，計算照射到水中上的紫外線(xiàn)劑量，得到紫外系統的消毒效果?；瘜W(xué)物質(zhì)要求具有感光性、在紫外線(xiàn)的輻照下可發(fā)生光化學(xué)反應，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?；瘜W(xué)驗證往往應用于驗證高劑量區間的紫外設備。
1.3、生物驗證法
生物驗證法是國際上廣泛認可的劑量認定方法，很多國家制定了手冊，將其作為標準方法來(lái)規范認定紫外線(xiàn)消毒設備的劑量。
生物驗證是通過(guò)向紫外線(xiàn)消毒系統加入目標微生物，測定目標微生物的滅活率，反推紫外設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微生物樣品，檢測照射后微生物濃度以確定滅活率。根據紫外強度、暴光時(shí)間等試驗因素，計算微生物的紫外線(xiàn)照射劑量，最終得到目標微生物的紫外線(xiàn)劑量-滅活率曲線(xiàn)。然后，進(jìn)行紫外線(xiàn)反應器的測試，將驗證微生物加入到紫外線(xiàn)消毒系統的上游，在確定流量、UVT、UV功率等條件下，測定目標微生物的滅活率。根據檢測結果以及上述紫外線(xiàn)劑量-滅活率曲線(xiàn)，可得在不同紫外燈輸出功率和不同紫外線(xiàn)穿透率條件下，紫外線(xiàn)水消毒設備處理流量-劑量關(guān)系曲線(xiàn)，如圖1所示。圖1中UVT為水體紫外穿透率，橫坐標為設備所處理的流量，縱坐標為設備的實(shí)際劑量。
圖1紫外設備處理流量與劑量關(guān)系曲線(xiàn)
圖1曲線(xiàn)類(lèi)似于泵的工作曲線(xiàn)，因此也可以看作紫外設備的工作曲線(xiàn)。有了紫外設備的處理流量-劑量曲線(xiàn)，用戶(hù)和設計院就可以很容易地核算紫外設備廠(chǎng)家所提供的設備方案是否能滿(mǎn)足處理負荷下的目標劑量，從而確保所選擇的紫外設備的消毒性能滿(mǎn)足要求。當然，考慮到實(shí)際運行中燈管老化和燈管套管表面結垢因素，在劑量計算中需要用可靠的老化系數和結垢系數進(jìn)行修正，以確保紫外設備的消毒性能在運行中不受這些因素的影響。老化系數與結垢系數如何取值，也有相關(guān)的規范和標準，可以參考本文第2節的相關(guān)介紹。
1.4、熒光微球法
熒光微球法與化學(xué)法類(lèi)似，使用熒光微球，通過(guò)檢測經(jīng)過(guò)紫外線(xiàn)消毒設備前后微球發(fā)光的情況，計算照射到微球上的紫外線(xiàn)劑量。熒光微球是由特殊材料制成，在紫外線(xiàn)的輻照下，可以產(chǎn)生發(fā)光基團，且其發(fā)光強度與接收到的紫外線(xiàn)劑量成線(xiàn)性關(guān)系。因此，通過(guò)檢測微球經(jīng)過(guò)紫外線(xiàn)系統后發(fā)出熒光的強度來(lái)計算紫外線(xiàn)效果。
1.5、熒光探頭監測法
原位熒光微探頭具有近似360°響應的特性，將此探頭置于管式紫外線(xiàn)設備腔體內，檢測不同位置的紫外線(xiàn)強度，實(shí)現腔體內紫外線(xiàn)強度在線(xiàn)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(guò)計算預測其劑量。
通過(guò)總結幾種主要的紫外線(xiàn)劑量認定方法，發(fā)現計算模型法雖然可以通過(guò)直接假設或模擬紫外消毒系統中紫外線(xiàn)強度分布和流場(chǎng)分布，經(jīng)濟快捷地計算設備的紫外線(xiàn)劑量，但其模型中的一些假設或參數往往與實(shí)際不符。因此，依靠理論模型計算得出紫外消毒系統的效果與實(shí)際劑量是有偏差的，特別是光強分布模型中的UVDIS計算得到的劑量遠高于設備的實(shí)際劑量，導致消毒不達標和供水安全的風(fēng)險。計算流體力學(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(chǎng)與燈管排布的優(yōu)化設計，但不用于設備實(shí)際劑量的計算。用探頭測定光強，進(jìn)而計算劑量或者直接采用功率去計算劑量也無(wú)法準確計量微生物接受到的實(shí)際劑量。目前，最為法規制定和執行部門(mén)所接受、也是最可靠的方法的是生物驗證法，很多國家已將其列為紫外設備實(shí)際劑量認定的標準方法。對于飲用水應用，主要西方國家和我國都要求紫外設備必須經(jīng)過(guò)行業(yè)內權威獨立第三方的生物驗定劑量驗證，并用驗證得到的設備流量-劑量曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行設備規模設計，沒(méi)有經(jīng)過(guò)生物驗證的設備是不能采購的，這是出于確保供水安全的需要。
目前，美國的Hydroqual和Carollo咨詢(xún)公司以及加拿大的Dillion公司都是國際紫外行業(yè)內比較公認的有經(jīng)驗和資質(zhì)做紫外設備生物驗定劑量驗證的獨立第三方單位。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)紫外設備生物驗證平臺，以促進(jìn)紫外線(xiàn)消毒技術(shù)在我國得到健康發(fā)展，保障公眾利益。
2、生物驗證規范
基于保障公眾利益的必要性，世界各國政府和監管機構針對紫外設備生物驗證方法推出了各自的驗證規范體系。國際公認的飲用水驗證規程有O-Norm（奧地利）、DVGW（德國）、NSF（美國）、UVDGM（美國），其中運用最廣的是德國的DVGW標準和美國的UVDGM指南。雖然這些標準規范有所差異，但根本要求是相同的，即都要求紫外設備的劑量用生物驗證法認定。
對比國內外驗證標準，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消毒，手冊中涵蓋了實(shí)施紫外線(xiàn)消毒系統的許多方面，但并沒(méi)有全面介紹所有類(lèi)型的紫外線(xiàn)消毒系統、設計替代方案以及驗證協(xié)議。德國DVGW標準適用于所有紫外線(xiàn)殺菌設備，目標病原體涵蓋范圍廣。中國《紫外線(xiàn)水消毒設備紫外線(xiàn)劑量測試方法》（GB/T 32092—2015）分別對飲用水、再生水和污水規范了不同的目標微生物，涉及范圍廣。表1為國內外驗證標準的對比，這些規范指導原則不同，但都推動(dòng)了紫外線(xiàn)技術(shù)在全球范圍內的推廣和運用，為公共飲用水安全保障做出了貢獻。
表1國內外驗證標準的對比
2.1、美國UVDGM手冊
美國環(huán)境保護局于2006年頒布了UVDGM手冊。在手冊中對紫外線(xiàn)消毒設備的規劃、設計、驗證和運行做了規范說(shuō)明，概述了運用現有的紫外設備，應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(xiàn)輻射劑量要求，是世界上應用最廣、最權威的規范之一。與其他驗證方法相比，UVDGM可根據前處理情況及測試結果靈活選擇紫外線(xiàn)劑量。
UVDGM手冊中規范了使用非致病性驗證微生物檢測紫外線(xiàn)消毒設備的方法。在理想情況下，驗證微生物對紫外線(xiàn)的敏感性應盡可能與目標微生物相近。如果使用中壓燈，則微生物應顯示出相似的譜圖。此外，驗證微生物的應具有下面的特點(diǎn)：
（1）容易培養和定量，結果可重復；
（2）可培養出高濃度的微生物樣品；
（3）具有長(cháng)期穩定性（在進(jìn)出實(shí)驗室、現場(chǎng)使用和計數過(guò)程中不影響活力或紫外線(xiàn)劑量響應）。
（4）如果驗證微生物是噬菌體，用來(lái)檢測噬菌體濃度的宿主細菌對人類(lèi)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證紫外線(xiàn)對隱孢子蟲(chóng)和賈第鞭毛蟲(chóng)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(chóng)和賈第鞭毛蟲(chóng)，目前正備受青睞。其他可用于驗證測試的驗證微生物包括無(wú)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(xiàn)來(lái)滅活。因此，對于任何紫外線(xiàn)系統，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(xiàn)劑量。例如，要滅活99%(2 log)的隱孢子蟲(chóng)需要5.8 mJ/cm2。要滅活99.99%（4 log）需要22 mJ/cm2。
表2不同目標微生物所需的紫外線(xiàn)劑量
此外，UVDGM中還提到了另外兩種檢測方法。一種是通過(guò)計算流體力學(xué)（CFD）預測微生物通過(guò)紫外線(xiàn)消毒設備的軌跡，從而預測照射到微生物的紫外線(xiàn)劑量；另一種是使用熒光微粒，通過(guò)檢測經(jīng)過(guò)紫外線(xiàn)消毒設備前后微粒發(fā)生光化學(xué)反應的情況計算照射到微粒上的紫外線(xiàn)劑量。目前模型與試驗方法仍在研究中，尚未有標準規范。
總體來(lái)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(zhuān)業(yè)的第三方測試機構和監督機構，執行和控制在國內可能有一定實(shí)際困難，體現在缺乏這方面的單位和機構，這也是國內紫外技術(shù)應用亟須填補的一個(gè)空白。
2.2、德國DVGW標準
德國燃氣及飲用水協(xié)會(huì )于1994年推出第一份DVGW文件（DVGW W 293:1994-10），規范了紫外線(xiàn)消毒設備的功能和應用，在1997年推出了第二份DVGW文件（DVGW W 294:1997-10），規范了紫外線(xiàn)消毒設備的設計、流動(dòng)力等方面。這些年，紫外線(xiàn)消毒設備在結構、操作概念和操作方法要求方面有了相當大的改進(jìn)，且這兩份文件在內容上密切相關(guān)，2006年進(jìn)行了聯(lián)合修訂和合并，即最新版DVGW標準。此標準認為，絕大多數的有害病原微生物暴露在400 J/m2的C波段紫外線(xiàn)環(huán)境中是不能存活的。因此，要求紫外線(xiàn)消毒系統在任何條件下，最低紫外輻射劑量為400 J/m2，即常用的飲用水紫外線(xiàn)劑量標準為40 mJ/cm2。
此標準分為三部分。第1部份“紫外線(xiàn)消毒設備的組成、功能及操作的要求”涵蓋了紫外線(xiàn)消毒的基本原理及應用范圍，是w293的延續，面向制造商、設計師和最終用戶(hù)。第2部分“組成、功能和消毒效果的測試”是w294的延續，介紹了紫外線(xiàn)消毒設備的測試方法，針對紫外線(xiàn)消毒設備制造商和檢測中心。第3部分“紫外線(xiàn)消毒設備監測窗及傳感器”是新訂部分，適用于紫外線(xiàn)傳感器制造商及照明工程測試中心。
DVGW標準詳細定義了微生物檢測方法，用生物劑量驗證法測定紫外線(xiàn)消毒設備的輸出劑量，并選定枯草芽孢桿菌作為目標微生物，系統中至少需安裝一個(gè)固定式紫外傳感器以連續檢測殺菌器內的紫外輻射狀況并保證其不低于規范最低值。此外，還統一了紫外傳感器的型號。
制造商必須通過(guò)提供DVGW認證，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認證中心申請時(shí)，需要在DVGW認證中心認可的測試實(shí)驗室進(jìn)行本節規定的樣機測試。
2.3、我國相關(guān)標準
2005年我國頒布了《城市給排水紫外線(xiàn)消毒設備》（GB/T 19837—2005），規范了城市給排水紫外線(xiàn)消毒設備的分類(lèi)、技術(shù)要求、檢驗規則、標志、包裝、運輸和貯存。標準中規定，紫外線(xiàn)消毒裝置用于飲用水消毒時(shí)，紫外線(xiàn)的生物驗證劑量應不小于40 mJ/cm2。這一標準的頒布推動(dòng)了紫外線(xiàn)消毒技術(shù)的進(jìn)步，規范了紫外線(xiàn)消毒設備市場(chǎng)。
2015年我國頒布了《紫外線(xiàn)消毒技術(shù)術(shù)語(yǔ)》（GB/T 32091—2015）和《紫外線(xiàn)水消毒設備紫外線(xiàn)劑量測試方法》（GB/T 32092—2015），標準中對紫外線(xiàn)設備的劑量測試作出了說(shuō)明，采用生物驗證檢測紫外線(xiàn)反應器消毒效果的方法。首先利用準平行光束儀表征目標微生物的紫外劑量響應關(guān)系，如圖2所示。
圖2 UV消毒系統劑量驗證過(guò)程
標準規范了適用于不同水質(zhì)的驗證微生物，對飲用水和再生水消毒設備的劑量驗證，應選擇MS2。對于污水，應選擇T1或糞大腸桿菌作為驗證微生物，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。在驗證試驗中，準平行光試驗和現場(chǎng)消毒設備滅活試驗應在同一天進(jìn)行。此外，標準中除了詳細說(shuō)明紫外線(xiàn)劑量的檢測，還規范了燈管結垢系數和老化系數的測定方法。
隨著(zhù)紫外消毒技術(shù)的普遍應用，人們越來(lái)越重視紫外線(xiàn)消毒效果對飲用水的安全保障作用，因此，需要可靠地驗證紫外系統的實(shí)際劑量來(lái)保障供水安全。目前，我國施行的《紫外線(xiàn)水消毒設備紫外線(xiàn)劑量測試方法》（GB/T 32092—2015）標準中規范了生物驗證的方法。而紫外線(xiàn)消毒系統的驗證應由獨立的第三方機構來(lái)執行、監督，并出具報告。為了保證紫外線(xiàn)消毒系統的消毒性能是客觀(guān)可靠的，此第三方機構必須是獨立的、與任何一方無(wú)利益關(guān)系的。我國目前正在積極開(kāi)啟第三方驗證中心的建設，為紫外線(xiàn)消毒設備提供一個(gè)權威的驗證平臺，促進(jìn)紫外消毒技術(shù)的應用與推廣。
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