紫外線消毒設備劑量認定方法、驗證標準及現(xiàn)狀

隨著人們對消毒技術的不斷認識和對水質(zhì)安全性要求的不斷提高，紫外線消毒技術作為多級屏障消毒策略的重要單元日益廣泛地應用于世界各地給水廠中。紫外線消毒技術是一種物理消毒，具有殺菌廣譜性、無二次污染、運行安全可靠等優(yōu)點，可以滅活一些傳統(tǒng)化學藥劑不能殺死的有害微生物，如隱孢子蟲（Cryptosporidium）和賈第鞭毛蟲（Giardia lamblia）等。因此，越來越多的給水廠采用了紫外線消毒技術以提高微生物控制的覆蓋面。

世界上首次應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用，隨后紫外線消毒技術得到全面推廣。目前，西方發(fā)達國家有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60年代初就有關于紫外線用于飲用水消毒的報道，但直到80年代才開始應用，目前應用案例有天津開發(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備投射的紫外線劑量直接相關，紫外線劑量指單位面積上接收到的紫外線能量。與化學消毒不同的是，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，但是當微生物以不同的軌跡通過反應器時，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，推動紫外線技術的健康發(fā)展，必須了解紫外線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消毒設備劑量認定方法，簡要分析了各類方法的特點，并對國際上的劑量驗證標準做了簡要概述，對比分析了我國的標準及現(xiàn)狀，為紫外線消毒技術的推廣與應用提供支持。

1、主要的紫外線消毒效果認定方法

目前，認定紫外設備消毒性能，即其投射的紫外線劑量的方法主要有以下幾種：計算模型法、化學法、生物法、熒光微球法、紫外線強度監(jiān)控法。

1.1、計算模型法

計算模型法是理論方法，包括紫外線強度分布模型和計算流體力學模型。其中，紫外線強度模型是基于光學和幾何學原理，通過計算紫外線在反應器中的輻照情況，獲得紫外線強度分布模型，從而推算紫外線劑量。常見的紫外線強度分布模型有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段相等的點光源，采用多點源疊加的方法計算反應器接收到的紫外線強度。1997年，Blatchley在MPSS基礎上提出LSI模型，該模型不考慮紫外線在傳播介質(zhì)中的吸收，改進了MPSS模型有限個點的限制，將MPSS模型中的點光源個數(shù)趨近于無窮，簡化計算。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圓柱形立體光源，再采用多段疊加的方式計算接收點的光強，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算紫外線強度。DO模型是求解熱輻射的方法，考慮熱量通過各介質(zhì)時的吸收與分散作用，應用有限。針對紫外線強度分布模型，市場上開發(fā)了計算軟件，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，很多紫外設備廠家使用UVDIS軟件，用這個軟件計算出來的紫外線劑量也叫UVDIS劑量，它實際上是基于紫外線光強均勻分布以及所有微生物顆粒的暴光時間，也是均勻分布的假設。

流體力學模型是基于模擬流體流動的計算機技術，計算微生物通過紫外線消毒系統(tǒng)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)建立了關于環(huán)形紫外線消毒系統(tǒng)的流體動力學控制方程，后期隨著計算機的普及，人們開始用CFD技術建立流體模型，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技術計算紫外消毒系統(tǒng)的效果，結(jié)果顯示，消毒效果的預測與模型的建立、參數(shù)的設定有很大的關系。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。

建立好紫外線光強分布模型和CFD模型后，將二者進行耦合，利用消毒動力學參數(shù)，計算紫外線設備有效劑量，最后用試驗對其進行驗證和完善。

1.2、化學驗證法

化學法是利用化學反應來測量紫外系統(tǒng)的消毒效果的。選擇合適的化學物質(zhì)，加入到紫外設備進水中，通過檢測經(jīng)過紫外線消毒設備前后化學物質(zhì)發(fā)生光化學反應的情況，計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。化學物質(zhì)要求具有感光性、在紫外線的輻照下可發(fā)生光化學反應，且易定量檢測等特點。常用的感光物質(zhì)有碘化鉀、尿苷、碘酸鉀等�；瘜W驗證往往應用于驗證高劑量區(qū)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規(guī)范認定紫外線消毒設備的劑量。

生物驗證是通過向紫外線消毒系統(tǒng)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(jù)紫外強度、暴光時間等試驗因素，計算微生物的紫外線照射劑量，最終得到目標微生物的紫外線劑量-滅活率曲線。然后，進行紫外線反應器的測試，將驗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，紫外線水消毒設備處理流量-劑量關系曲線，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，縱坐標為設備的實際劑量。

圖1紫外設備處理流量與劑量關系曲線

圖1曲線類似于泵的工作曲線，因此也可以看作紫外設備的工作曲線。有了紫外設備的處理流量-劑量曲線，用戶和設計院就可以很容易地核算紫外設備廠家所提供的設備方案是否能滿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足要求。當然，考慮到實際運行中燈管老化和燈管套管表面結(jié)垢因素，在劑量計算中需要用可靠的老化系數(shù)和結(jié)垢系數(shù)進行修正，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(shù)與結(jié)垢系數(shù)如何取值，也有相關的規(guī)范和標準，可以參考本文第2節(jié)的相關介紹。

1.4、熒光微球法

熒光微球法與化學法類似，使用熒光微球，通過檢測經(jīng)過紫外線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，且其發(fā)光強度與接收到的紫外線劑量成線性關系。因此，通過檢測微球經(jīng)過紫外線系統(tǒng)后發(fā)出熒光的強度來計算紫外線效果。

1.5、熒光探頭監(jiān)測法

原位熒光微探頭具有近似360°響應的特性，將此探頭置于管式紫外線設備腔體內(nèi)，檢測不同位置的紫外線強度，實現(xiàn)腔體內(nèi)紫外線強度在線分布檢測，模擬水中致病菌接受紫外輻射的效果，進而通過計算預測其劑量。

通過總結(jié)幾種主要的紫外線劑量認定方法，發(fā)現(xiàn)計算模型法雖然可以通過直接假設或模擬紫外消毒系統(tǒng)中紫外線強度分布和流場分布，經(jīng)濟快捷地計算設備的紫外線劑量，但其模型中的一些假設或參數(shù)往往與實際不符。因此，依靠理論模型計算得出紫外消毒系統(tǒng)的效果與實際劑量是有偏差的，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際劑量，導致消毒不達標和供水安全的風險。計算流體力學模型法雖然定性趨勢上與實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)化設計，但不用于設備實際劑量的計算。用探頭測定光強，進而計算劑量或者直接采用功率去計算劑量也無法準確計量微生物接受到的實際劑量。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證法，很多國家已將其列為紫外設備實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)過行業(yè)內(nèi)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-劑量曲線來進行設備規(guī)模設計，沒有經(jīng)過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，清華大學環(huán)境學院也在籌備建立我國第一個紫外設備生物驗證平臺，以促進紫外線消毒技術在我國得到健康發(fā)展，保障公眾利益。

2、生物驗證規(guī)范

基于保障公眾利益的必要性，世界各國政府和監(jiān)管機構(gòu)針對紫外設備生物驗證方法推出了各自的驗證規(guī)范體系。國際公認的飲用水驗證規(guī)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(guī)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(nèi)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(tǒng)消毒，手冊中涵蓋了實施紫外線消毒系統(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殺菌設備，目標病原體涵蓋范圍廣。中國《紫外線水消毒設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)范了不同的目標微生物，涉及范圍廣。表1為國內(nèi)外驗證標準的對比，這些規(guī)范指導原則不同，但都推動了紫外線技術在全球范圍內(nèi)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(nèi)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。在手冊中對紫外線消毒設備的規(guī)劃、設計、驗證和運行做了規(guī)范說明，概述了運用現(xiàn)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輻射劑量要求，是世界上應用最廣、最權威的規(guī)范之一。與其他驗證方法相比，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證微生物檢測紫外線消毒設備的方法。在理想情況下，驗證微生物對紫外線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：

（1）容易培養(yǎng)和定量，結(jié)果可重復；

（2）可培養(yǎng)出高濃度的微生物樣品；

（3）具有長期穩(wěn)定性（在進出實驗室、現(xiàn)場使用和計數(shù)過程中不影響活力或紫外線劑量響應）。

（4）如果驗證微生物是噬菌體，用來檢測噬菌體濃度的宿主細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。其他可用于驗證測試的驗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。一種是通過計算流體力學（CFD）預測微生物通過紫外線消毒設備的軌跡，從而預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)過紫外線消毒設備前后微粒發(fā)生光化學反應的情況計算照射到微粒上的紫外線劑量。目前模型與試驗方法仍在研究中，尚未有標準規(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)的第三方測試機構(gòu)和監(jiān)督機構(gòu)，執(zhí)行和控制在國內(nèi)可能有一定實際困難，體現(xiàn)在缺乏這方面的單位和機構(gòu)，這也是國內(nèi)紫外技術應用亟須填補的一個空白。

2.2、德國DVGW標準

德國燃氣及飲用水協(xié)會于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(guī)范了紫外線消毒設備的設計、流動力等方面。這些年，紫外線消毒設備在結(jié)構(gòu)、操作概念和操作方法要求方面有了相當大的改進，且這兩份文件在內(nèi)容上密切相關，2006年進行了聯(lián)合修訂和合并，即最新版DVGW標準。此標準認為，絕大多數(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準為40 mJ/cm2。

此標準分為三部分。第1部份“紫外線消毒設備的組成、功能及操作的要求”涵蓋了紫外線消毒的基本原理及應用范圍，是w293的延續(xù)，面向制造商、設計師和最終用戶。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備的測試方法，針對紫外線消毒設備制造商和檢測中心。第3部分“紫外線消毒設備監(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(tǒng)中至少需安裝一個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認證，證明其符合本工作表的相關要求以及任何必要的附加要求。在向DVGW認證中心申請時，需要在DVGW認證中心認可的測試實驗室進行本節(jié)規(guī)定的樣機測試。

2.3、我國相關標準

2005年我國頒布了《城市給排水紫外線消毒設備》（GB/T 19837—2005），規(guī)范了城市給排水紫外線消毒設備的分類、技術要求、檢驗規(guī)則、標志、包裝、運輸和貯存。標準中規(guī)定，紫外線消毒裝置用于飲用水消毒時，紫外線的生物驗證劑量應不小于40 mJ/cm2。這一標準的頒布推動了紫外線消毒技術的進步，規(guī)范了紫外線消毒設備市場。

2015年我國頒布了《紫外線消毒技術術語》（GB/T 32091—2015）和《紫外線水消毒設備紫外線劑量測試方法》（GB/T 32092—2015），標準中對紫外線設備的劑量測試作出了說明，采用生物驗證檢測紫外線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系，如圖2所示。

圖2 UV消毒系統(tǒng)劑量驗證過程

標準規(guī)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(xiàn)場消毒設備滅活試驗應在同一天進行。此外，標準中除了詳細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。

隨著紫外消毒技術的普遍應用，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，需要可靠地驗證紫外系統(tǒng)的實際劑量來保障供水安全。目前，我國施行的《紫外線水消毒設備紫外線劑量測試方法》（GB/T 32092—2015）標準中規(guī)范了生物驗證的方法。而紫外線消毒系統(tǒng)的驗證應由獨立的第三方機構(gòu)來執(zhí)行、監(jiān)督，并出具報告。為了保證紫外線消毒系統(tǒng)的消毒性能是客觀可靠的，此第三方機構(gòu)必須是獨立的、與任何一方無利益關系的。我國目前正在積極開啟第三方驗證中心的建設，為紫外線消毒設備提供一個權威的驗證平臺，促進紫外消毒技術的應用與推廣。

孫文俊1,2，呂東明3，賈瑞寶4，李桂芳4（1.清華大學環(huán)境學院，北京100084 2.清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇蘇州215000；3.加拿大特潔安<Trojan>技術公司，加拿大倫敦N5V 4T7；4.山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測中心，山東濟南250021）