大家之言|饮用水多屏障消毒策略及紫外消毒技术的应用

《净水技术》

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作者简介

吕东明博士

1986年从清华大学工程力学系毕业，同年进入清华大学热能系读研，后在英国继续机械工程专业的博士学习，1998年加入特洁安技术公司(Trojan Technologies)从事研发方面的工作，将其所学的流体力学以及机械工程专业知识很好地结合起来，对紫外水消毒技术，特别是消毒器的优化设计有深入的理解和掌握，并进行了更好的创新。经过近20年的努力，从无到有，紫外水处理技术在我国城市污水处理中得到广泛应用，在饮用水常规及深度处理中正被逐渐接受，为保护环境和人类健康发挥了积极的作用。

2008年3月发表于Nature的《未来几十年的水净化科学和技术》第一句就说“众所周知，干净淡水的缺乏在全球范围内导致许多问题的产生：12亿人无法获得安全的饮用水，26亿人几乎没有卫生设施，每年有数百万的人(其中每天有3 900个儿童)死于通过不安全的水或人类排泄物传播的疾病。水污染使无数的人患病。”基于此，水处理工作者正在寻求更加安全、可靠的水净化技术，以期在既不加重环境压力，又不危及人类健康的前提下，达到预期的水处理效果。

紫外线很早就被人们用来杀菌消毒。微生物的遗传物质(DNA/RNA)吸收紫外线， DNA/RNA发生光化学反应，从而生物体不能够复制繁殖。200～300 nm的紫外线最容易被这些遗传物质吸收，灭活能力也最强。自19世纪初，人们就用这种源于自然的紫外线技术进行水处理。本文主要介绍了紫外线技术在饮用水消毒处理中的应用及其重要作用。

1	多屏障消毒策略——联合消毒工艺

1.1	传统的单一消毒工艺单元存在的问题

目前，国内自来水厂主要采用单一的氯消毒工艺单元。与美国94.5%的自来水厂采用氯消毒相比，我国则是有99.5%以上的水厂采用这一工艺。毫无疑问，氯消毒对人类健康做出了巨大贡献，但随着科技的进步，人类对于这一技术的认识也更加全面和深入。氯消毒会产生具有致基因突变和致癌的三氯甲烷。随着近年来对消毒副产物认识的深入，已知的氯消毒副产物已经接近上千种,但绝大多数消毒副产物的结构和毒性仍待研究。具有毒性的氯消毒副产物中较为熟知的三卤甲烷和卤乙酸等只是为数不多的几种。除此之外，氯消毒并不是对所有的病原体都有效，如自由氯对隐孢子虫、贾第鞭毛虫和鸟型分枝杆菌等耐氯病原体是低效或无效的。在单独使用氯消毒时，鸟型分枝杆菌普遍存在于给水系统的生物膜中，且在高pH和低温的自然水体中对氯有很强的抵抗力。北美和欧洲曾经暴发数百起供水安全事件，均是由隐孢子虫引起，其对氯有极强的抗药性，在常规的氯CT剂量下不能有效灭活。随着我国原水水质的恶化和新病原体种的出现(如HIV病毒、SARS病毒和尼罗病毒等)，安全供水正面临挑战，传统的水厂处理工艺和路线已经不能完全满足我国现实水质条件下和新认识水平上的安全供水需要。因此，在尽量减少或不使用化学药剂或产生有害消毒副产物的情况下，如何能有效去除现有和新的水媒病原体，特别是尚未发现但实际存在的水媒病原体，是水处理工作者接下来一段时间在消毒领域的一项长期任务。另外，氯消毒过程中存在着很大的运输、储存和使用的安全风险，这也迫使决策者放弃单一的自由氯消毒方式而采取其他更为安全的水消毒理念、技术和解决方案。

1.2

新的消毒理念和方式

为了进一步保障饮用水的安全，近年来基于多级屏障理念的多屏障消毒策略在欧美地区的净水处理中得到日益广泛的认同和实践。供水行业的有识之士已经认识到目前所用的消毒技术均不完美，传统的单一消毒单元很难真正满足供水的卫生学和化学安全需求，因此多屏障消毒策略应运而生。多级屏障策略不仅可以确保当净水厂中某一工艺单元出现问题时，不会导致整个系统的失效，还可以通过不同消毒手段的联合使用、取长补短实现优势互补，提高供水安全性。在给水净化工艺中，消毒是保障饮用水安全的重要环节，多级屏障策略使得安全供水得以提高。现代消毒的最终目标是对水进行可实施和强有效的消毒，消灭其中已知和未知的病原体，由于水厂无法对水中的微生物全部检测，消灭水中未知的病原体其实与消灭已知的病原体同等重要，但是往往被忽视，不少供水企业的一个典型认识误区就是认为如果水厂的进水里没有检测出水质卫生学指标微生物，就不需要对该微生物进行处理，这其实是对水质安全指标体系的片面或者错误解读。这些指标的本质是用来衡量水厂各级工艺单元控制某类安全风险的能力，它们代表的往往是一类风险而不仅仅是其本身，比如隐孢子虫就被用来衡量水厂控制耐氯微生物风险的保障能力，而不是说水厂只需要去除隐孢子虫。要认识到水厂进水中没有隐孢子虫，但还有其他耐氯微生物，因为水厂不能检测水中所有的微生物，所以水中大部分微生物对人类来说是未知的，只有通过水厂具备有效的安全屏障，同时在消毒过程中不产生新的问题,才能消除各种可能的健康威胁。这就要求水务专业人员在消毒工艺的选择上要同时平衡微生物和化学风险。因此，联合消毒工艺近几年已经被国外越来越多的自来水厂所采用。前面提到现有的消毒技术均有其优缺点，比如氯已经被用了100多年，大家都很熟悉，而且普遍认为很经济，但存在耐氯微生物和消毒副产物的风险。其实，氯消毒经济的观念也是一个认识误区，如果要求用氯有效灭活所有已知的水媒病原体，其投资与运行成本比常规氯消毒要增加上千倍，而且工程上也根本不能实施，因为接触池容积可能要增加上千倍，从这个意义上讲，紫外消毒是目前已知的最经济的消毒手段。臭氧也是一种高效的消毒剂，但存在溴酸盐的风险，溴酸盐的致癌性远高于我们熟知的三卤甲烷和卤乙酸。紫外是公认的杀菌广谱性最好的消毒技术(这也是它经济的根本原因)，而且作为物理手段没有消毒副产物的问题，但紫外没有残余消毒作用，无法保证供水管网中的生物稳定性。因此，几种消毒技术联合使用可以取长补短，在扩大微生物控制覆盖的同时，减少化学药剂的使用量，从而降低消毒副产物的生成，最大程度地提高供水安全，满足现实和前沿的认知条件下安全供水的需求。目前，饮用水联合消毒工艺最为常见的是紫外线加氯或加氯胺的方式。

1.3	多屏障消毒策略- 联合消毒工艺

联合消毒工艺的主要方式有紫外线+氯胺、紫外线+氯、紫外线+臭氧+氯胺和臭氧+氯胺等。由于紫外线消毒微生物覆盖广谱性好、无消毒副产物、经济性好(与单一消毒单元的微生物覆盖面比较)、占地面积小、易安装实施和对耐氯微生物灭活效果好等优点，近几年来，饮用水联合消毒工艺选择中基本都包括紫外线消毒单元，而且为了最大程度地发挥紫外线的优势，减少化学药剂用量，往往以紫外线消毒作为主消毒单元。

图1对多屏障消毒策略中较为常见的紫外联合氯消毒工艺的优点给出了直观的说明。图1横坐标为氯消毒所需 CT值，纵坐标为紫外消毒所需紫外剂量。图1的点为不同病原体被去除99.99%时所需的紫外剂量和氯CT值。如果紫外和氯联用，当紫外消毒单元剂量取40 mJ/cm2的标准消毒剂量时，单独紫外消毒可以对图中除了腺病毒以外的所有病原体做到99.99%以上的去除，而腺病毒对氯很敏感，如果氯消毒单元的CT值取5 mg·L-1·min，即可对包括腺病毒在内的大部分病原体做到99.99%以上的去除，而我们国家自来水厂中氯消毒工艺的常规CT值在60 mg·L-1·min左右。由图1可知，传统的单一氯消毒工艺单元在常规剂量下无法对水中的所有病原体做到有效去除，即存在如军团菌、贾第鞭毛虫和隐孢子虫等耐氯病原体，其中隐孢子虫如果用氯做到99.99%以上去除时，CT值要比常规加药剂量增加一千倍以上，这在工程和经济上都是难以做到的，所以从这个意义上说作为单一消毒单元，氯并不经济。而这些耐氯性的微生物恰好可以用较低的紫外剂量做到有效去除，因此当紫外和氯单元各自取其常规剂量时，紫外联合氯消毒可以对所有人类已发现的病原体做到99.99%以上的去除，与传统单一氯消毒工艺单元相比，对微生物种类的覆盖更加广谱，大大提高了供水安全保障。图1也表明传统的单一氯消毒工艺单元路线是无法在卫生学上完全保障供水安全的。考虑到水中已知和可能存在的未知耐氯性病原体(目前没有检测要求，并有可能受目前的技术水平和检测手段限制无法检测)，紫外联合氯消毒无疑比传统单一氯消毒工艺单元能提供更好的供水安全屏障。

图1 紫外联合氯多屏障消毒策略

另外，紫外联合氯消毒，在紫外剂量为40 mJ/cm2的常规剂量下，即使氯的加药剂量CT值为5 mg·L-1·min时，也就是只有单一氯消毒工艺单元常规剂量的十二分之一时，联合消毒工艺也可以对图1所有病原体做到99.99%以上的去除。因此，紫外联合氯消毒可以减少氯消毒部分的剂量(余氯量或停留时间)。

图1还给出了氯消毒副产物三卤甲烷的生成曲线，可以看到无论是水质较好的水厂还是水质较差的水厂，三卤甲烷的浓度随着氯CT值的增加而增加，即使是水质较好的水厂，在CT值加大时，也存在着消毒副产物超标的可能。但如果采用紫外联合氯消毒，通过降低氯的投加CT值，可以大大减少消毒副产物的浓度，满足安全要求。

因此，紫外联合氯消毒工艺，不仅可以扩大对水中病原体控制的覆盖广谱性，还可以减少化学药剂的使用以及消毒副产物的生成，同时改善供水的化学安全性。考虑到我国很多使用地表水的自来水水厂面临水源中氨氮浓度较高的情况，氯消毒实际上变成氯胺消毒，消毒效果打了折扣，容易造成消毒不达标，而为了满足消毒达标的要求，这些水厂往往需要投加更多的氯，结果又可能造成消毒副产物超标。这种情况下采用紫外联合氯消毒的工艺可以有效解决水厂生产中面临的这些问题。

紫外联合氯消毒的优点有：(1)扩大微生物控制的覆盖面；(2)减少化学药剂用量及副产物，同时保证管网的生物稳定性；(3)在联合消毒工艺的某一单元出故障时，其他单元还可以在某种程度上保证消毒效果。而所有联合消毒方式中紫外+氯胺消毒是非常理想的搭配，可以最大程度地实现多屏障消毒策略的三大优势。

如前所述，氯消毒虽对隐孢子虫等耐氯病原体的灭活效果不佳，但对这些病原体有着很好的消毒效果。而游离氯对一些对紫外消毒有一定抵抗力的病原体的消毒效果或抑制作用很好。这两种消毒方式结合可以对所有已知的病原体起到有效的控制作用，即紫外线+氯胺联合消毒工艺。以紫外线为主消毒单元的联合消毒工艺的紫外线消毒设计剂量一般为40 mJ/cm2。这个剂量可灭活99.99%的肝炎病毒和轮状病毒等病原体，这些病毒对紫外线的抵抗力较强。研究发现，滤后水中存在有机氨或人工增加氨氮，余氯和加氯量的关系如图2所示。由图2可知，在紫外线作为主消毒单元时，加氯量在第一区前结束能保证管网中的余氯以氯胺为主，加氯量比余氯的理论值可达到5∶1。如果水中的氨氮为0.2 mg/L,第一阶段产生的余氯可达1 mg/L；第二阶段继续加氯，余氯含量减少；到了第三阶段，生成以自由氯为主的余氯。因此，以紫外线作为主消毒工艺时，加氯量只要控制在第一区，形成氯胺来维持管网的生物稳定性，这样就可以大大减少氯气的用量。研究证明，氯胺消毒的方法会大大减少消毒副产物的种类和含量以及一些嗅味化合物。在国内，刘文君做了大量的紫外+氯联合消毒的研究工作。他们的研究结果也表明紫外线消毒+氯/氯胺可以减少主要消毒副产物的产生，且紫外线消毒不会影响输水管网的生物稳定性。

这些研究，为我们深入了解紫外+氯铵联合消毒工艺提供了大量的辅证，对该工艺的消毒对象、消毒效果、经济性、高效性、安全性等有了更加深入的认识。一线的水处理工作者在理论研究不断推进的同时，将此技术应用到实际生产中，已建或在建案例均显示出一定的成效，以期在实践中发现问题、解决问题，为更加完善的水净化工艺提供不同程度的技术支持。

在发达国家和地区，以紫外线消毒技术为主的联合消毒工艺已被广泛认可和应用。郄燕秋等详细介绍了国外几个典型的工程应用和在建案例。其中，美国纽约市Catskill & Delaware水厂每日的设计处理规模为832万m3/d，是世界上最大的采用紫外消毒的自来水厂。国际著名的商业研究机构BBC Research的报告预测紫外线饮用水消毒技术在北美2006年～2012年的年市场复合增长率为38.6%。这个增长率比其他任何水深度处理新技术都要高很多，其中臭氧为9.8%，膜为10.3%。在国内，天津泰达经济技术开发区给水厂的三期工程(22万t/d)设计采用了紫外线+氯消毒的联合消毒工艺，成为国内首家运行紫外消毒工艺的自来水厂。

图2 余氯和加氯量-氨氮含量关系图

2	紫外消毒技术在我国自来水厂中的应用

2.1	我国饮用水生产面临的挑战

微生物控制是水厂管理的核心指标。对于饮用水来说，微生物控制失效引发的结果往往是恶性的，甚至是灾难性的。上面说过我国水源水质恶化，地表水中氨氮含量普遍较高，造成一些水厂的氯消毒实际变成氯胺消毒，降低了消毒效果，甚至造成出水大肠菌群超标，而如果要保证大肠菌群等卫生学指标达标，就需要大量加氯，结果又容易引起消毒副产物超标，从而使这些水厂面临两难境地。

受检测手段、认识和技术的局限，我国饮用水使用的卫生学管理指示微生物还是以大肠菌群为主，这就要求大肠菌群对水厂所选择的消毒剂来说是最难以去除的。但遗憾的是，由于耐氯微生物的存在，被广泛使用的氯消毒恰好是很容易对付大肠菌群的，因此存在着卫生学指标达标但水质实际并不安全的可能。由于大部分国家没有对耐氯微生物的检测提出要求以及检测手段存在限制，国内外供水界普遍存在对水中耐氯微生物风险缺乏认识或认识不足的现象。很多人可能会说，既然有耐氯微生物存在的可能，可为什么氯消毒在水厂使用这么多年来好像也没引起大规模的疾病传播？这里面很大的原因可能是耐氯病原体引起的健康问题是长期慢性的，不像由介水导致的急性疾病传播那样容易引起注意，而且很多病原体进入人体后，当人体免疫力健全时是可以被控制的，但一旦人体免疫力下降，携带的病原体就会对人体造成明显的伤害，即条件致病。人类的一些疑难杂症如风湿性关节炎有没有可能就是水中我们不知道的病原体引起的？为什么生活在潮湿地区或经常接触生水的人在免疫力下降时容易得风湿性关节炎？而且我们都知道在夏季，往往是急性肠道疾病容易暴发的季节，这无疑是与夏季人类接触生水的机会增多有关系的，这也从侧面说明我们的饮用水实际上可能并没有我们想象的那样安全。另外一个例子就是喜欢养观赏鱼的人都知道，水族箱里的鱼会经常罹患各种感染疾病，其中最常见的就是寄生虫类(如鞭毛虫)感染，而寄生虫类病原体普遍耐氯。这些携带寄生虫的鱼类往往是身体状况好时可以带菌生存，而一旦水质恶化，免疫力下降，疾病就会暴发。所以我们的饮用水其实可能并不那么安全。我们也知道一些慢性炎症长期发展是可以导致癌变的，比如熟知的慢性肠道炎症与肠癌之间存在一定显著相关性。随着国内检测手段的丰富与完善，近年来，不少水司、科研机构与院校都在多座城市的原水、出厂水甚至管网中发现了耐氯微生物，且部分具有致病性或条件致病性。

刘小琳等在北京市政自来水管网中分离出鞘氨醇单孢菌、蜡状芽胞菌、假单胞菌和溶血不动杆菌等多种耐氯菌。其中鞘氨醇单胞菌用4 mg/L的氯接触240 min后灭活率只有5%左右，而在40 mJ/cm2的紫外剂量照射下可以做到99.9%以上的灭活。鞘氨醇单胞菌中的病原体种可引起败血症、脑膜炎、心膜炎和关节炎等多种组织炎症。张明露等在北京某水厂的出厂水中也发现了上述耐氯菌种；李百玲在哈尔滨的供水管网中分离出鞘氨醇单胞菌、食酸菌和假单胞菌等多种耐氯微生物。事实上鞘氨醇单胞菌在泳池水中广泛存在。南方某一线城市也在出厂水中发现了多种耐氯微生物，如纺锤芽孢杆菌、腊状芽孢菌、蜂房芽孢杆菌和假单孢菌等。上述微生物中鞘氨醇单孢菌、腊样芽孢杆菌、假单胞菌和溶血不动杆菌属于潜在病原体。不少水厂在清水池维护清理过程中，在池壁分离出假单孢菌、军团菌、真菌、噬硫菌等耐氯微生物。

水媒中耐氯微生物中最有名的就是隐孢子虫。正是国外数百起隐孢子虫引起的供水公共安全事件使得人类认识到饮用水中耐氯微生物对人类健康的潜在威胁，也认识到单一的氯消毒单元可能无法保障供水安全，因此多屏障消毒策略，即联合消毒工艺应运而生。我国于1987年首次在南京发现人体隐孢子虫病例,之后发现该病为全国性分布，且流行相当普遍，许多不明原因的腹泻多由隐孢子虫引起。上海城市生活污水中隐孢子虫检出率高达70%，原水中的检出率为28%，且主要集中在11月～1月样品中检出，而其他月份样品中没有检出。现有饮用水水质标准中隐孢子虫为水厂的非常规监测指标，不能真实反映供水安全风险。因此，饮用水中耐氯病原体的存在是供水行业需要积极面对的对公众健康的潜在威胁。

随着中国现代农业的发展，化肥农药的使用逐渐受到控制，取而代之的是生物制剂。用微生物改良土壤与养殖用水，这是一把双刃剑，在农业进步的同时，往往会对该区域水源造成冲击，引入微生物控制风险，为供水企业的管理带来挑战。

2.2	中国饮用水紫外消毒技术应用的发展情况

2008年，天津泰达自来水三期工程为22万t/d，紫外主消毒工艺投产运行，这开创了我国在大型市政自来水厂中使用紫外作为主消毒工艺的先河。在随后的10年间，饮用水紫外消毒应用伴随着多屏障消毒策略被越来越多的行业有识之士认可并得到发展。我国陆续有40多座大中型水厂使用了紫外主消毒工艺，总规模已近650万t/d。紫外消毒技术的使用，丰富了这些水厂的微生物控制手段与应急能力，对供水安全保障起到了积极作用。

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结语

饮用水中耐氯微生物的安全风险应引起供水行业的高度重视，传统的单一氯消毒单元无法真正保障饮用水卫生学和化学安全。伴随我国水源水质日趋复杂化和恶化，多屏障消毒策略与紫外线消毒技术正逐渐用于给水深度处理的工艺中，这一策略可以更好地保障供水安全。在市政自来水消毒处理中，紫外线消毒是多屏障消毒策略中的重要单元，结合氯或氯胺消毒工艺来保证输水管网内的生物稳定性可全面提高供水的微生物和化学安全性，联合消毒将会成为未来水厂处理中一种重要的工艺选择。

编辑札记

饮用水紫外消毒伴随着多屏障消毒策略已被越来越多的行业人士认可，并得到陆续应用和发展。紫外消毒技术的使用丰富了水厂的微生物控制手段与应急能力，对供水安全保障起到了积极作用。通过对该技术的分享与讨论，旨在为今后紫外消毒技术的发展提供更开阔的思路和方向。

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