呂東明博士

1986年從清華大學(xué)工程力學(xué)系畢業(yè)，同年進(jìn)入清華大學(xué)熱能系讀研，后在英國(guó)繼續(xù)機(jī)械工程專業(yè)的博士學(xué)習(xí)，1998年加入特潔安技術(shù)公司(Trojan Technologies)從事研發(fā)方面的工作，將其所學(xué)的流體力學(xué)以及機(jī)械工程專業(yè)知識(shí)很好地結(jié)合起來(lái)，對(duì)紫外水消毒技術(shù)，特別是消毒器的優(yōu)化設(shè)計(jì)有深入的理解和掌握，并進(jìn)行了更好的創(chuàng)新。經(jīng)過(guò)近20年的努力，從無(wú)到有，紫外水處理技術(shù)在我國(guó)城市污水處理中得到廣泛應(yīng)用，在飲用水常規(guī)及深度處理中正被逐漸接受，為保護(hù)環(huán)境和人類健康發(fā)揮了積極的作用。

2008年3月發(fā)表于Nature的《未來(lái)幾十年的水凈化科學(xué)和技術(shù)》第一句就說(shuō)“眾所周知，干凈淡水的缺乏在全球范圍內(nèi)導(dǎo)致許多問(wèn)題的產(chǎn)生：12億人無(wú)法獲得安全的飲用水，26億人幾乎沒(méi)有衛(wèi)生設(shè)施，每年有數(shù)百萬(wàn)的人(其中每天有3 900個(gè)兒童)死于通過(guò)不安全的水或人類排泄物傳播的疾病。水污染使無(wú)數(shù)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(shù)，以期在既不加重環(huán)境壓力，又不危及人類健康的前提下，達(dá)到預(yù)期的水處理效果。

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

1 多屏障消毒策略——聯(lián)合消毒工藝

1.1 傳統(tǒng)的單一消毒工藝單元存在的問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)自來(lái)水廠主要采用單一的氯消毒工藝單元。隨著科技的進(jìn)步，人類對(duì)于這一技術(shù)的認(rèn)識(shí)也更加全面和深入。隨著近年來(lái)對(duì)消毒副產(chǎn)物認(rèn)識(shí)的深入，已知的氯消毒副產(chǎn)物已經(jīng)接近上千種，但絕大多數(shù)消毒副產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和毒性仍待研究。具有毒性的氯消毒副產(chǎn)物中較為熟知的三鹵甲烷和鹵乙酸等只是為數(shù)不多的幾種。除此之外，氯消毒并不是對(duì)所有的病原體都有效，如自由氯對(duì)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(wú)效的。在單獨(dú)使用氯消毒時(shí)，鳥型分枝桿菌普遍存在于給水系統(tǒng)的生物膜中，且在高pH和低溫的自然水體中對(duì)氯有很強(qiáng)的抵抗力。氯消毒過(guò)程中存在著很大的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用的安全風(fēng)險(xiǎn)，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(shù)和解決方案。

1.2 新的消毒理念和方式

為了進(jìn)一步保障飲用水的安全，近年來(lái)基于多級(jí)屏障理念的多屏障消毒策略在歐美地區(qū)的凈水處理中得到日益廣泛的認(rèn)同和實(shí)踐。多級(jí)屏障策略不僅可以確保當(dāng)凈水廠中某一工藝單元出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效，還可以通過(guò)不同消毒手段的聯(lián)合使用、取長(zhǎng)補(bǔ)短實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高供水安全性。現(xiàn)代消毒的最終目標(biāo)是對(duì)水進(jìn)行可實(shí)施和強(qiáng)有效的消毒，消滅其中已知和未知的病原體，由于水廠無(wú)法對(duì)水中的微生物全部檢測(cè)，消滅水中未知的病原體其實(shí)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(yè)的一個(gè)典型認(rèn)識(shí)誤區(qū)就是認(rèn)為如果水廠的進(jìn)水里沒(méi)有檢測(cè)出水質(zhì)衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)微生物，就不需要對(duì)該微生物進(jìn)行處理，這其實(shí)是對(duì)水質(zhì)安全指標(biāo)體系的片面或者錯(cuò)誤解讀。這些指標(biāo)的本質(zhì)是用來(lái)衡量水廠各級(jí)工藝單元控制某類安全風(fēng)險(xiǎn)的能力，它們代表的往往是一類風(fēng)險(xiǎn)而不僅僅是其本身。這就要求水務(wù)專業(yè)人員在消毒工藝的選擇上要同時(shí)平衡微生物和化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)。

其實(shí)，氯消毒經(jīng)濟(jì)的觀念也是一個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū)，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(yùn)行成本比常規(guī)氯消毒要增加上千倍，而且工程上也根本不能實(shí)施，因?yàn)榻佑|池容積可能要增加上千倍，從這個(gè)意義上講，紫外消毒是目前已知的最經(jīng)濟(jì)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(fēng)險(xiǎn)，溴酸鹽的致癌性遠(yuǎn)高于我們熟知的三鹵甲烷和鹵乙酸。紫外是公認(rèn)的殺菌廣譜性最好的消毒技術(shù)(這也是它經(jīng)濟(jì)的根本原因)，而且作為物理手段沒(méi)有消毒副產(chǎn)物的問(wèn)題，但紫外沒(méi)有殘余消毒作用，無(wú)法保證供水管網(wǎng)中的生物穩(wěn)定性。因此，幾種消毒技術(shù)聯(lián)合使用可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，在擴(kuò)大微生物控制覆蓋的同時(shí)，減少化學(xué)藥劑的使用量，從而降低消毒副產(chǎn)物的生成，最大程度地提高供水安全，滿足現(xiàn)實(shí)和前沿的認(rèn)知條件下安全供水的需求。目前，飲用水聯(lián)合消毒工藝最為常見(jiàn)的是紫外線加氯或加氯胺的方式。

1.3 多屏障消毒策略- 聯(lián)合消毒工藝

聯(lián)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(wú)消毒副產(chǎn)物、經(jīng)濟(jì)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(shí)施和對(duì)耐氯微生物滅活效果好等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)，飲用水聯(lián)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(fā)揮紫外線的優(yōu)勢(shì)，減少化學(xué)藥劑用量，往往以紫外線消毒作為主消毒單元。

圖1對(duì)多屏障消毒策略中較為常見(jiàn)的紫外聯(lián)合氯消毒工藝的優(yōu)點(diǎn)給出了直觀的說(shuō)明。表明傳統(tǒng)的單一氯消毒工藝單元路線是無(wú)法在衛(wèi)生學(xué)上完全保障供水安全的?？紤]到水中已知和可能存在的未知耐氯性病原體(目前沒(méi)有檢測(cè)要求，并有可能受目前的技術(shù)水平和檢測(cè)手段限制無(wú)法檢測(cè))，紫外聯(lián)合氯消毒無(wú)疑比傳統(tǒng)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(lián)合氯多屏障消毒策略

另外，紫外聯(lián)合氯消毒可以減少氯消毒部分的劑量(余氯量或停留時(shí)間)。圖1還給出了氯消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷的生成曲線，可以看到無(wú)論是水質(zhì)較好的水廠還是水質(zhì)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(zhì)較好的水廠，在CT值加大時(shí)，也存在著消毒副產(chǎn)物超標(biāo)的可能。但如果采用紫外聯(lián)合氯消毒，通過(guò)降低氯的投加CT值，可以大大減少消毒副產(chǎn)物的濃度，滿足安全要求。

因此，紫外聯(lián)合氯消毒工藝，不僅可以擴(kuò)大對(duì)水中病原體控制的覆蓋廣譜性，還可以減少化學(xué)藥劑的使用以及消毒副產(chǎn)物的生成，同時(shí)改善供水的化學(xué)安全性。

紫外聯(lián)合氯消毒的優(yōu)點(diǎn)有：(1)擴(kuò)大微生物控制的覆蓋面；(2)減少化學(xué)藥劑用量及副產(chǎn)物，同時(shí)保證管網(wǎng)的生物穩(wěn)定性；(3)在聯(lián)合消毒工藝的某一單元出故障時(shí)，其他單元還可以在某種程度上保證消毒效果。而所有聯(lián)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(shí)現(xiàn)多屏障消毒策略的三大優(yōu)勢(shì)。

一線的水處理工作者在理論研究不斷推進(jìn)的同時(shí)，將 紫外+氯銨聯(lián)合消毒工藝應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，已建或在建案例均顯示出一定的成效，以期在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，為更加完善的水凈化工藝提供不同程度的技術(shù)支持。

在發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，以紫外線消毒技術(shù)為主的聯(lián)合消毒工藝已被廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。郄燕秋等詳細(xì)介紹了國(guó)外幾個(gè)典型的工程應(yīng)用和在建案例。其中，美國(guó)紐約市Catskill & Delaware水廠每日的設(shè)計(jì)處理規(guī)模為832萬(wàn)m3/d，是世界上最大的采用紫外消毒的自來(lái)水廠。在國(guó)內(nèi)，天津泰達(dá)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)給水廠的三期工程(22萬(wàn)t/d)設(shè)計(jì)采用了紫外線+氯消毒的聯(lián)合消毒工藝，成為國(guó)內(nèi)首家運(yùn)行紫外消毒工藝的自來(lái)水廠。

圖2 余氯和加氯量-氨氮含量關(guān)系圖

2 紫外消毒技術(shù)在我國(guó)自來(lái)水廠中的應(yīng)用

2.1 我國(guó)飲用水生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)

微生物控制是水廠管理的核心指標(biāo)。對(duì)于飲用水來(lái)說(shuō)，微生物控制失效引發(fā)的結(jié)果往往是惡性的，甚至是災(zāi)難性的。受檢測(cè)手段、認(rèn)識(shí)和技術(shù)的局限，我國(guó)飲用水使用的衛(wèi)生學(xué)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(duì)水廠所選擇的消毒劑來(lái)說(shuō)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(duì)付大腸菌群的，因此存在著衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)達(dá)標(biāo)但水質(zhì)實(shí)際并不安全的可能。由于大部分國(guó)家沒(méi)有對(duì)耐氯微生物的檢測(cè)提出要求以及檢測(cè)手段存在限制，國(guó)內(nèi)外供水界普遍存在對(duì)水中耐氯微生物風(fēng)險(xiǎn)缺乏認(rèn)識(shí)或認(rèn)識(shí)不足的現(xiàn)象。

水媒中耐氯微生物中最有名的就是隱孢子蟲。正是國(guó)外數(shù)百起隱孢子蟲引起的供水公共安全事件使得人類認(rèn)識(shí)到飲用水中耐氯微生物對(duì)人類健康的潛在威脅，也認(rèn)識(shí)到單一的氯消毒單元可能無(wú)法保障供水安全，因此多屏障消毒策略，即聯(lián)合消毒工藝應(yīng)運(yùn)而生。飲用水中耐氯病原體的存在是供水行業(yè)需要積極面對(duì)的對(duì)公眾健康的潛在威脅。

隨著中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，化肥農(nóng)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(yǎng)殖用水，這是一把雙刃劍，在農(nóng)業(yè)進(jìn)步的同時(shí)，往往會(huì)對(duì)該區(qū)域水源造成沖擊，引入微生物控制風(fēng)險(xiǎn)，為供水企業(yè)的管理帶來(lái)挑戰(zhàn)。

2.2 中國(guó)飲用水紫外消毒技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展情況

2008年，天津泰達(dá)自來(lái)水三期工程為22萬(wàn)t/d，紫外主消毒工藝投產(chǎn)運(yùn)行，這開創(chuàng)了我國(guó)在大型市政自來(lái)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(yīng)用伴隨著多屏障消毒策略被越來(lái)越多的行業(yè)有識(shí)之士認(rèn)可并得到發(fā)展。我國(guó)陸續(xù)有40多座大中型水廠使用了紫外主消毒工藝，總規(guī)模已近650萬(wàn)t/d。紫外消毒技術(shù)的使用，豐富了這些水廠的微生物控制手段與應(yīng)急能力，對(duì)供水安全保障起到了積極作用。

3 結(jié)語(yǔ)

飲用水中耐氯微生物的安全風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)引起供水行業(yè)的高度重視，傳統(tǒng)的單一氯消毒單元無(wú)法真正保障飲用水衛(wèi)生學(xué)和化學(xué)安全。伴隨我國(guó)水源水質(zhì)日趨復(fù)雜化和惡化，多屏障消毒策略與紫外線消毒技術(shù)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(lái)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(jié)合氯或氯胺消毒工藝來(lái)保證輸水管網(wǎng)內(nèi)的生物穩(wěn)定性可全面提高供水的微生物和化學(xué)安全性，聯(lián)合消毒將會(huì)成為未來(lái)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(lái)越多的行業(yè)人士認(rèn)可，并得到陸續(xù)應(yīng)用和發(fā)展。紫外消毒技術(shù)的使用豐富了水廠的微生物控制手段與應(yīng)急能力，對(duì)供水安全保障起到了積極作用。通過(guò)對(duì)該技術(shù)的分享與討論，旨在為今后紫外消毒技術(shù)的發(fā)展提供更開闊的思路和方向。

想了解全系列供水解決方案？

2020年3月17日/18日

格蘭富線上直播開啟教學(xué)之旅

排版：王佳

校對(duì)：黎翔