刘文君深度解析紫外线消毒市场状况和国标修订
时间：2017-01-19
来源：中国水网
作者：李姝乐
2016年12月13日，全国紫外线消毒标准化技术委员会第二界委员会在清华大学召开，会上宣贯了《GB/T32091-2015紫外线水消毒设备紫外线剂量测试方法》和《GB/T32092-2015 紫外线消毒技术术语》两项新国家标准，并宣布国家标准《城市给排水紫外线消毒设备（GB/T19837-2005）》成立修订编制组。对此，中国水网近日对国家紫外线消毒标准化委员会主任、清华大学环境学院教授刘文君进行了专访，刘文君教授从紫外线消毒技术的应用、现状和存在的问题，剖析了此次国标修订的原因。
紫外线消毒方兴未艾 污水处理厂应用超过50%
紫外线是一种低能量的电磁辐射。一定波长范围内的紫外光会破坏水中微生物的遗传物质的结构，导致微生物无法繁殖，从而丧失致病能力，实现对水消毒的目的。尽管在国际上紫外线消毒技术从20世纪初就得到了广泛的应用，在我国，紫外线消毒技术却正处于方兴未艾的时期。
据刘文君教授介绍，在水与污水的消毒过程中，最应该关注的有三点：一是保证处理后的水质的安全性，即保证水中微生物被有效的去除；二是保证消毒过程中的副产物要少；三是保证消毒系统本身的安全性。而紫外线作为广谱杀菌射线，在足够的照射剂量下，能杀死一切微生物，而且杀菌速度快。同时，紫外线消毒属于物理作用，不产生有毒有害物质，不改变水质。最后，紫外线在消毒过程中是通过紫外发生装置产生UV-C照射流水实现，不使用额外的化学药物。因此，以上三点使得紫外线消毒技术在给排水中的优势逐渐突显出来，并且在近几年得到了迅猛的发展。
“在2002年以前，我国的污水排放并没有关于消毒方面的要求，直到2002年底我国颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》中首次将微生物指标列为基本控制指标，要求城市污水必须进行消毒”，刘文君教授介绍说，“当然，03年的‘非典’事件对这项标准也起到了很好的督促作用，这为紫外线消毒技术在污水处理中的推广应用提供了契机。”同时，刘文君也提到，传统的氯消毒技术，因为会在水中残留一定量的余氯，而对河流水体生态产生影响，因此有所欠缺。“因为很多污水处理厂都是近几年新建立的，这为紫外消毒技术的应用提供了可行性。目前，紫外系统在我国市政污水处理的应用已经大规模展开，使用紫外线消毒技术的污水处理厂超过50%。”
紫外线消毒在当前供水市场全国应用总规模为300~400万m3/天
相比污水处理厂，紫外消毒技术在给水厂的应用相对较少，当前全国应用总规模为300-400万M3/天，约占总供水量的1.5%-2%。“主要原因是我国的给水厂消毒系统本身就很完善，如果想改变传统的氯消毒技术，需要重建或在原来的基础上加以改造，这相比新建的污水厂，难度就要大很多”，刘文君教授说。自从2006年颁发的《生活饮用水标准（GB5749-2006）》中将“两虫”（贾第鞭毛虫和隐孢子虫）列入水处理消毒目标微生物，紫外线消毒技术就有了优势，因为常规的化学消毒对“两虫”灭活的效果十分有限。同时，因为顾及到液氯消毒法所存在的安全隐患，比如，爆炸和泄漏的风险。“从08年奥运会北京禁止使用液氯消毒开始，不提倡使用液氯消毒已经逐渐成为了自来水行业的一个趋势。”
关于农村供水，刘文君介绍，“农村供水在以前也没有要求消毒，而是重点解决‘三高’的问题，即高砷、高氟、苦盐水。不过由于近几年国家对水质要求变高，所以在‘十一五’的时候，我们与多个单位合作对农村供水消毒进行了研究。”该研究由清华大学、中国水利水电科学研究院、中国卫生部和中国军事科学院联合进行，每个单位负责一项常用的消毒技术，并进行了很多工程应用试验。最后结果表明，由清华大学负责的紫外线消毒技术比较适合农村水消毒的模式。最主要的原因是使用简单、对技术能力要求低以及效果稳定。
刘文君还提到，中国的水况其实很适合用紫外线消毒，因为中国原水中的氨氮含量很高，而氨氮的存在会对氯消毒有很大的影响。“加氯消毒的时候，氯会在水中形成次氯酸，进而起到消毒的作用。但是当水中存在大量氨氮的时候，原本应该生成的次氯酸则被氯胺代替，于是预期的次氯酸消毒就会变为氯胺消毒。虽然氯胺也有消毒效果而且副产物比较少，但是其消毒强度只有次氯酸的千分之一，所以最后消毒的效果自然不尽如人意，这可能也是中国自来水微生物学指标不能全面满足水质标准要求，从而导致不能直接饮用的原因之一。”不过紫外线则不受水中氨氮含量的影响，刘文君说，“北京自来水相对较早的接受了紫外线消毒技术，他们发现，使用紫外线消毒后后，管网中的细菌数比用氯消毒的时候下降了很多。”因此，除了此次紫外线消毒设备国标的修改，刘文君教授表示，“在《室外给水设计规范》的修订中也已经添加了紫外线消毒这一项。预计明年会发布，一些新建的自来水厂都会采用。”
因此，在刘文君看来，紫外线消毒技术在污水与供水行业中都很有前景。不过关于二次供水，刘文君教授提到，紫外线会分解水中的余氯，导致水质下降，因此，紫外线消毒在二次供水中的应用还有待考究。
紫外消毒设备正常运行者不到1/3 工程和研究问题待解
“从2005年开始实践至今，随着紫外技术在污水处理中应用的增加，一些问题开始暴露出来，这也是此次修订国标的原因”，刘文君说道，“现在虽然污水处理行业中有一半以上在使用紫外线消毒技术，但其实正常运行的只有三分之一左右。其余的部分，或是为了应付检查装装样子，或者因为对紫外线技术的认识不够而不知道该怎么用。比如，提到紫外线消毒，大家可能会关心透光率的问题，就是紫外线可以穿透多深的水。实际上，在计算紫外线有效剂量的时候，透光率已经作为因子在计算中扣除了，所以如果有效剂量是正确的，水的透光率并不会产生影响。”刘文君认为，很多人误以为紫外线消毒其实就是一个“灯管”，使用起来很简单，但其实紫外线的技术远要比这个复杂，“有些人甚至认为紫外线灯管是要放在水外面的，这些理解都是错误的。”由此可见，如果对紫外线技术的认识不到位，会导致紫外线无法正常工作。
刘文君指出，在使用紫外线消毒技术时，工程中主要遇到的问题可能会包括：一、灯管的选择和数量。“因为对紫外线技术的不了解，甲方可能会一味的依赖供货商，乙方则会追求经济效益，结果大家都不考虑真正需要什么样的灯管”；二、水质的影响。“水质对紫外线消毒效果有很大的影响，但是在之前很少有人会考虑这方面因素”；三、灯管与整流器的匹配问题。“因为缺乏经验，很多人都没有注意到两者的匹配与否会很大程度上影响消毒的效果”；四、设计和参数设定不合理。“我们在设计第一个反应器的时候，没有排气的阀门，因为没有考虑到会有气体的存在。通过实践和经验的累积，之后的反应器就设了排气阀。”
除了行业上的问题，专家们可能会遇到学术上的一些问题。“我们遇到的第一个问题就是消毒以后的水应该在哪取样检测”，刘文君说。因为紫外线消毒效果短暂，细菌被杀死之后可能还会恢复，所以取样点与消毒点太远可能会“冤枉”了企业，但是如果太近，又会影响检测效果。“另外，消毒以后‘重生’的细菌对水系统的影响是否与之前的一样，也值得考虑”，刘文君说。这里提到的“对水系统的影响”指的是细菌本身的性质是否因为紫外线消过毒而发生变化，即同样数量的消毒前的细菌和消毒后“重生”的细菌是否会有相同的“破坏力”，不过目前，这个问题在学术上并没有公认的答案。
除了国内的问题，国际上也遇到了关于紫外线消毒技术的棘手难题。美国专家曾经向刘文君教授请教：紫外消毒后到底该用什么方法检测细菌？“这是个很有意思的问题”，刘文君说，“传统检测细菌的方式是用培养皿，培养一段时间后查菌落的个数，这种方法的实验周期比较长。目前基因技术发展较快，细菌数一般采用检测DNA的方式，因为氯消毒的时候DNA会被分解，当检测不出DNA的时候，就可以判断微生物已经被消除。然而，如果使用紫外线消毒，消毒之后，细菌并没有真正的‘死亡’，DNA还在，只不过不能复制了，所以DNA的方法可能会有问题。目前我们正在研究检测相关技术问题”
“实践中的这些问题导致紫外线技术在污水处理中受阻，也反映出老标准不太适合当前的新的情况。所以想通过这次修改国标来解决这几点问题”，刘文君说，“所以修订的重点还是在技术参数和测试方法上，比如灯的寿命、剂量的计算、温度的影响等都被考虑在内。在修订启动之前，我们做了大量的调研工作，让一些已经使用了紫外线技术的机构总结使用感受和成功与不成功的案例。我们还从美国请来了专家，来问问他们的意见。”
开启第三方验证中心 以生物曲线检验紫外消毒系统
紫外线消毒跟传统的消毒处理不一样，单位是mJ/cm2，所以，想要得知紫外线系统的效率，很难像传统的消毒技术（单位是mg/L）那么直观。“想验证反应器到底有多少剂量，计算很繁琐。另外，灯的折射和反射等作用也很复杂，所以验证计算不是很准确”，刘文君教授说道，“这个时候，就需要用生物验证的方法。”今年6月1日开始施行的《紫外线消毒技术术语》和《紫外线水消毒设备 紫外线剂量测试方法》就是详细说明了生物验证的应用方法。验证候，通过加入定量的细菌，测量出水中细菌的灭活率，从而得出以流量、剂量和透光率为变量的生物曲线，到达计算剂量的目的。
除了剂量的计算，紫外线消毒系统还有一个核心部分就是其“灯管”的质量。“灯管本身的质量往往容易被忽视，我们自己的实验室也吃过这个亏，因为实验效果不理想，原因查找了好几个月，最后才发现是紫外线灯管有问题”，刘文君教授说，“因此，有必要引进一个第三方机构，通过生物验证曲线来检验包括紫外线设备在内的整个消毒系统。为了确保公平公正，这个机构必须要是独立的、与任何一方没有利益关系的。开启第三方验证中心也是我们近期与国家质检总局正在做的。”
新型技术兴起 LED紫外灯或是未来发展趋势
随着紫外消毒技术的快速发展，一些新型紫外技术也慢慢兴起。“最近发展比较快的是LED紫外灯，目前在我国也有大规模生产，如在青岛、马鞍山和深圳等地，但在水处理中LED UV刚刚开始，如果LED灯可以的话，我们可能会重点发展这块领域”，刘文君教授说。相比传统紫外灯，LED灯的优势是：一、灯的寿命更长。“传统的紫外灯寿命很短，国标规定低压灯是12000小时，中压灯管是5000小时。因为LED是半导体，所以寿命会更长”；二、灯的波长更多样化。“传统的紫外灯放出的波长是254nm，用LED的话，波长会更多”；三、灯的电效率会更高。“现在的紫外灯70%以上的电都用来发热而不是变成紫外线，而LED灯的效率会更高。”不过刘文君教授认为，目前LED紫外灯离工程运用还有一小段距离，因为单个LED紫外灯的功率很低，“不过，不可否认的是，LED灯的出路和前景不错。”
最后，刘文君教授表示，新标准的修订已经正式启动，在2017年有望正式颁布，“新标准旨在能够在中国国情下反应国内工程实际的需求，以解决之前遇到的问题。争取做到有‘先进性、实用性、可行性、代表性’”。
