【热点聚焦】紫外设备剂量标准化验证方法及必要性
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孙文俊1,2，吕东明3，贾瑞宝4，李桂芳4
（1.清华大学环境学院，北京 100084 2.清华苏州环境创新研究院，江苏苏州 215000；3.加拿大特洁安<Trojan>技术公司，加拿大伦敦 N5V 4T7；4.山东省城市供排水水质监测中心，山东济南 250021）
随着人们对消毒技术的不断认识和对水质安全性要求的不断提高，紫外线消毒技术作为多级屏障消毒策略的重要单元日益广泛地应用于世界各地给水厂中。紫外线消毒技术是一种物理消毒，具有杀菌广谱性、无二次污染、运行安全可靠等优点，可以灭活一些传统化学药剂不能杀死的有害微生物，如隐孢子虫（Cryptosporidium）和贾第鞭毛虫（Giardia lamblia）等。因此，越来越多的给水厂采用了紫外线消毒技术以提高微生物控制的覆盖面。
世界上首次应用紫外线消毒的给水厂是法国马赛水厂，紧接着法国里昂水厂也开始应用，随后紫外线消毒技术得到全面推广。目前，西方发达国家有4 000多家给水厂使用紫外线消毒，其中包括德国的斯提罗姆-奥斯特水厂、荷兰的鹿特丹水厂、加拿大维多利亚水厂、美国西雅图和纽约等大型水厂。我国在20世纪60年代初就有关于紫外线用于饮用水消毒的报道，但直到80年代才开始应用，目前应用案例有天津开发区水厂、上海临江水厂、北京郭公庄水厂等。
紫外线消毒效果与紫外设备投射的紫外线剂量直接相关，紫外线剂量指单位面积上接收到的紫外线能量。与化学消毒不同的是，紫外线没有残留，因此不能通过监测剩余浓度来确定释放的剂量。紫外线传感器可以测量紫外光强，但是当微生物以不同的轨迹通过反应器时，传感器无法测量照射到微生物的紫外线剂量。因此，为了确保紫外线对微生物的灭活效果，保障饮用水安全，推动紫外线技术的健康发展，必须了解紫外线消毒设备的消毒性能是如何认定的。
本文介绍了目前常用的紫外线消毒设备剂量认定方法，简要分析了各类方法的特点，并对国际上的剂量验证标准做了简要概述，对比分析了我国的标准及现状，为紫外线消毒技术的推广与应用提供支持。
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1 |
主要的紫外线消毒效果认定方法 |
目前，认定紫外设备消毒性能，即其投射的紫外线剂量的方法主要有以下几种：计算模型法、化学法、生物法、荧光微球法、紫外线强度监控法。
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1.1 |
计算模型法 |
计算模型法是理论方法，包括紫外线强度分布模型和计算流体力学模型。其中，紫外线强度模型是基于光学和几何学原理，通过计算紫外线在反应器中的辐照情况，获得紫外线强度分布模型，从而推算紫外线剂量。常见的紫外线强度分布模型有MPSS、MSSS、LSI、RAD-LSI和DO。
1970年，Jacob和Dranoff开发了MPSS模型，将线光源等分成n段相等的点光源，采用多点源叠加的方法计算反应器接收到的紫外线强度。1997年，Blatchley在MPSS基础上提出LSI模型，该模型不考虑紫外线在传播介质中的吸收，改进了 MPSS 模型有限个点的限制，将MPSS模型中的点光源个数趋近于无穷，简化计算。2000年，James R Boltan提出MSSS模型，采取分段等分的方式，将光源等分成若干个圆柱形立体光源，再采用多段叠加的方式计算接收点的光强，是MPSS模型的扩展，且MSSS模型除了考虑介质对紫外线的吸收作用外，还增加了反射和折射的影响。 RAD-LSI 模型是LSI模型的改良，将近灯管区域部分采用线光源的模型计算紫外线强度。DO模型是求解热辐射的方法，考虑热量通过各介质时的吸收与分散作用，应用有限。针对紫外线强度分布模型，市场上开发了计算软件，常见的有UV Calc软件（James R Boltan开发）和UVDIS软件（美国EPA开发）等。其中，很多紫外设备厂家使用UVDIS软件，用这个软件计算出来的紫外线剂量也叫UVDIS剂量，它实际上是基于紫外线光强均匀分布以及所有微生物颗粒的暴光时间，也是均匀分布的假设。
流体力学模型是基于模拟流体流动的计算机技术，计算微生物通过紫外线消毒系统的轨迹，研究反应器的水力特性。在20世纪80年代，Romero等就已经建立了关于环形紫外线消毒系统的流体动力学控制方程，后期随着计算机的普及，人们开始用CFD技术建立流体模型，解决涉及流体工程的问题。目前，常见的CFD软件有Phoenics、Cham、Fluent等。Unluturk等使用CFD技术计算紫外消毒系统的效果，结果显示，消毒效果的预测与模型的建立、参数的设定有很大的关系。Lyn等在二维模型中加入了拉格朗日算法和颗粒流数值，结合紫外线强度分布模型，对比了欧拉的预测方案和拉格朗日粒子轨迹方法。
建立好紫外线光强分布模型和CFD模型后，将二者进行耦合，利用消毒动力学参数，计算紫外线设备有效剂量，最后用试验对其进行验证和完善。
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1.2 |
化学验证法 |
化学法是利用化学反应来测量紫外系统的消毒效果的。选择合适的化学物质，加入到紫外设备进水中，通过检测经过紫外线消毒设备前后化学物质发生光化学反应的情况，计算照射到水中上的紫外线剂量，得到紫外系统的消毒效果。化学物质要求具有感光性、在紫外线的辐照下可发生光化学反应，且易定量检测等特点。常用的感光物质有碘化钾、尿苷、碘酸钾等。化学验证往往应用于验证高剂量区间的紫外设备。
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1.3 |
生物验证法 |
生物验证法是国际上广泛认可的剂量认定方法，很多国家制定了手册，将其作为标准方法来规范认定紫外线消毒设备的剂量。
生物验证是通过向紫外线消毒系统加入目标微生物，测定目标微生物的灭活率，反推紫外设备的剂量及消毒性能的。首先，用紫外平行光仪均匀照射已知浓度的目标微生物样品，检测照射后微生物浓度以确定灭活率。根据紫外强度、暴光时间等试验因素，计算微生物的紫外线照射剂量，最终得到目标微生物的紫外线剂量-灭活率曲线。然后，进行紫外线反应器的测试，将验证微生物加入到紫外线消毒系统的上游，在确定流量、UVT、UV功率等条件下，测定目标微生物的灭活率。根据检测结果以及上述紫外线剂量-灭活率曲线，可得在不同紫外灯输出功率和不同紫外线穿透率条件下，紫外线水消毒设备处理流量-剂量关系曲线，如图1所示。图1中UVT为水体紫外穿透率，横坐标为设备所处理的流量，纵坐标为设备的实际剂量。
图1 紫外设备处理流量与剂量关系曲线
图1曲线类似于泵的工作曲线，因此也可以看作紫外设备的工作曲线。有了紫外设备的处理流量-剂量曲线，用户和设计院就可以很容易地核算紫外设备厂家所提供的设备方案是否能满足处理负荷下的目标剂量，从而确保所选择的紫外设备的消毒性能满足要求。当然，考虑到实际运行中灯管老化和灯管套管表面结垢因素，在剂量计算中需要用可靠的老化系数和结垢系数进行修正，以确保紫外设备的消毒性能在运行中不受这些因素的影响。老化系数与结垢系数如何取值，也有相关的规范和标准，可以参考本文第2节的相关介绍。
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1.4 |
荧光微球法 |
荧光微球法与化学法类似，使用荧光微球，通过检测经过紫外线消毒设备前后微球发光的情况，计算照射到微球上的紫外线剂量。荧光微球是由特殊材料制成，在紫外线的辐照下，可以产生发光基团，且其发光强度与接收到的紫外线剂量成线性关系。因此，通过检测微球经过紫外线系统后发出荧光的强度来计算紫外线效果。
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1.5 |
荧光探头监测法 |
原位荧光微探头具有近似360°响应的特性，将此探头置于管式紫外线设备腔体内，检测不同位置的紫外线强度，实现腔体内紫外线强度在线分布检测，模拟水中致病菌接受紫外辐射的效果，进而通过计算预测其剂量。
通过总结几种主要的紫外线剂量认定方法，发现计算模型法虽然可以通过直接假设或模拟紫外消毒系统中紫外线强度分布和流场分布，经济快捷地计算设备的紫外线剂量，但其模型中的一些假设或参数往往与实际不符。因此，依靠理论模型计算得出紫外消毒系统的效果与实际剂量是有偏差的，特别是光强分布模型中的UVDIS计算得到的剂量远高于设备的实际剂量，导致消毒不达标和供水安全的风险。计算流体力学模型法虽然定性趋势上与实际剂量变化趋势相同，但量上存在偏差，因此这种方法一般多用于紫外消毒器流场与灯管排布的优化设计，但不用于设备实际剂量的计算。用探头测定光强，进而计算剂量或者直接采用功率去计算剂量也无法准确计量微生物接受到的实际剂量。目前，最为法规制定和执行部门所接受、也是最可靠的方法的是生物验证法，很多国家已将其列为紫外设备实际剂量认定的标准方法。对于饮用水应用，主要西方国家和我国都要求紫外设备必须经过行业内权威独立第三方的生物验定剂量验证，并用验证得到的设备流量-剂量曲线来进行设备规模设计，没有经过生物验证的设备是不能采购的，这是出于确保供水安全的需要。
目前，美国的Hydroqual和Carollo咨询公司以及加拿大的Dillion公司都是国际紫外行业内比较公认的有经验和资质做紫外设备生物验定剂量验证的独立第三方单位。我国这方面尚处于起步阶段，清华大学环境学院也在筹备建立我国第一个紫外设备生物验证平台，以促进紫外线消毒技术在我国得到健康发展，保障公众利益。
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2 |
生物验证规范 |
基于保障公众利益的必要性，世界各国政府和监管机构针对紫外设备生物验证方法推出了各自的验证规范体系。国际公认的饮用水验证规程有O-Norm（奥地利）、DVGW（德国）、NSF （美国）、UVDGM（美国），其中运用最广的是德国的DVGW标准和美国的UVDGM指南。虽然这些标准规范有所差异，但根本要求是相同的，即都要求紫外设备的剂量用生物验证法认定。
对比国内外验证标准，美国UVDGM手册适用范围相对较小。UVDGM手册主要针对公共供水系统消毒，手册中涵盖了实施紫外线消毒系统的许多方面，但并没有全面介绍所有类型的紫外线消毒系统、设计替代方案以及验证协议。德国DVGW标准适用于所有紫外线杀菌设备，目标病原体涵盖范围广。中国《紫外线水消毒设备 紫外线剂量测试方法》（GB/T 32092—2015）分别对饮用水、再生水和污水规范了不同的目标微生物，涉及范围广。表1为国内外验证标准的对比，这些规范指导原则不同，但都推动了紫外线技术在全球范围内的推广和运用，为公共饮用水安全保障做出了贡献。
表1 国内外验证标准的对比
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2.1 |
美国UVDGM手册 |
美国环境保护局于2006年颁布了UVDGM手册。在手册中对紫外线消毒设备的规划、设计、验证和运行做了规范说明，概述了运用现有的紫外设备，应如何处理指定微生物以使其丧失活性，并提出了针对指定微生物的紫外线辐射剂量要求，是世界上应用最广、最权威的规范之一。与其他验证方法相比，UVDGM可根据前处理情况及测试结果灵活选择紫外线剂量。
UVDGM手册中规范了使用非致病性验证微生物检测紫外线消毒设备的方法。在理想情况下，验证微生物对紫外线的敏感性应尽可能与目标微生物相近。如果使用中压灯，则微生物应显示出相似的谱图。此外，验证微生物的应具有下面的特点：
（1）容易培养和定量，结果可重复；
（2）可培养出高浓度的微生物样品；
（3）具有长期稳定性（在进出实验室、现场使用和计数过程中不影响活力或紫外线剂量响应）。
（4）如果验证微生物是噬菌体，用来检测噬菌体浓度的宿主细菌对人类不具有致病性。
手册中指出，MS2噬菌体和枯草芽孢杆菌孢子常被用于验证紫外线对隐孢子虫和贾第鞭毛虫的消毒效果。T1和T7噬菌体由于抗紫外性明显大于隐孢子虫和贾第鞭毛虫，目前正备受青睐。其他可用于验证测试的验证微生物包括无致病性的大肠杆菌、酵母菌、Qβ噬菌体等。
不同的微生物需要不同剂量的紫外线来灭活。因此，对于任何紫外线系统，必须清楚需要灭活的微生物。表2介绍了灭活不同病原微生物所需的紫外线剂量。例如，要灭活99%(2 log )的隐孢子虫需要5.8 mJ/cm2。要灭活99.99%（4 log）需要22 mJ/cm2。
表2 不同目标微生物所需的紫外线剂量
此外，UVDGM中还提到了另外两种检测方法。一种是通过计算流体力学（CFD）预测微生物通过紫外线消毒设备的轨迹，从而预测照射到微生物的紫外线剂量；另一种是使用荧光微粒，通过检测经过紫外线消毒设备前后微粒发生光化学反应的情况计算照射到微粒上的紫外线剂量。目前模型与试验方法仍在研究中，尚未有标准规范。
总体来看，UVDGM手册更加灵活，MS2噬菌体比枯草芽孢杆菌的适用范围更广，但是需要专业的第三方测试机构和监督机构，执行和控制在国内可能有一定实际困难，体现在缺乏这方面的单位和机构，这也是国内紫外技术应用亟须填补的一个空白。
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2.2 |
德国DVGW标准 |
德国燃气及饮用水协会于1994年推出第一份DVGW文件（DVGW W 293: 1994-10），规范了紫外线消毒设备的功能和应用，在1997年推出了第二份DVGW文件（DVGW W 294: 1997-10），规范了紫外线消毒设备的设计、流动力等方面。这些年，紫外线消毒设备在结构、操作概念和操作方法要求方面有了相当大的改进，且这两份文件在内容上密切相关，2006年进行了联合修订和合并，即最新版DVGW标准。此标准认为，绝大多数的有害病原微生物暴露在400 J/m2的C波段紫外线环境中是不能存活的。因此，要求紫外线消毒系统在任何条件下，最低紫外辐射剂量为400 J/m2，即常用的饮用水紫外线剂量标准为40 mJ/cm2。
此标准分为三部分。第1部份“紫外线消毒设备的组成、功能及操作的要求”涵盖了紫外线消毒的基本原理及应用范围，是w293的延续，面向制造商、设计师和最终用户。第2部分“组成、功能和消毒效果的测试”是w294的延续，介绍了紫外线消毒设备的测试方法，针对紫外线消毒设备制造商和检测中心。第3部分“紫外线消毒设备监测窗及传感器”是新订部分，适用于紫外线传感器制造商及照明工程测试中心。
DVGW标准详细定义了微生物检测方法，用生物剂量验证法测定紫外线消毒设备的输出剂量，并选定枯草芽孢杆菌作为目标微生物，系统中至少需安装一个固定式紫外传感器以连续检测杀菌器内的紫外辐射状况并保证其不低于规范最低值。此外，还统一了紫外传感器的型号。
制造商必须通过提供DVGW认证，证明其符合本工作表的相关要求以及任何必要的附加要求。在向DVGW认证中心申请时，需要在DVGW认证中心认可的测试实验室进行本节规定的样机测试。
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2.3 |
我国相关标准 |
2005年我国颁布了《城市给排水紫外线消毒设备》（GB/T 19837—2005），规范了城市给排水紫外线消毒设备的分类、技术要求、检验规则、标志、包装、运输和贮存。标准中规定，紫外线消毒装置用于饮用水消毒时，紫外线的生物验证剂量应不小于40 mJ/cm2。这一标准的颁布推动了紫外线消毒技术的进步，规范了紫外线消毒设备市场。
2015年我国颁布了《紫外线消毒技术术语》（GB/T 32091—2015）和《紫外线水消毒设备 紫外线剂量测试方法》（GB/T 32092—2015），标准中对紫外线设备的剂量测试作出了说明，采用生物验证检测紫外线反应器消毒效果的方法。首先利用准平行光束仪表征目标微生物的紫外剂量响应关系，如图2所示。
图2 UV消毒系统剂量验证过程
标准规范了适用于不同水质的验证微生物，对饮用水和再生水消毒设备的剂量验证，应选择MS2。对于污水，应选择T1或粪大肠杆菌作为验证微生物，其中T1和粪大肠杆菌的剂量为2.5~25 mJ/cm2，MS2适用的剂量为10~120 mJ/cm2。在验证试验中，准平行光试验和现场消毒设备灭活试验应在同一天进行。此外，标准中除了详细说明紫外线剂量的检测，还规范了灯管结垢系数和老化系数的测定方法。
随着紫外消毒技术的普遍应用，人们越来越重视紫外线消毒效果对饮用水的安全保障作用，因此，需要可靠地验证紫外系统的实际剂量来保障供水安全。目前，我国施行的《紫外线水消毒设备 紫外线剂量测试方法》（GB/T 32092—2015）标准中规范了生物验证的方法。而紫外线消毒系统的验证应由独立的第三方机构来执行、监督，并出具报告。为了保证紫外线消毒系统的消毒性能是客观可靠的，此第三方机构必须是独立的、与任何一方无利益关系的。我国目前正在积极开启第三方验证中心的建设，为紫外线消毒设备提供一个权威的验证平台，促进紫外消毒技术的应用与推广。