劉文君深度解析紫外線消毒市場狀況和國標修訂
時間：2017-01-19
來源：中國水網
作者：李姝樂
2016年12月13日，全國紫外線消毒標準化技術委員會第二界委員會在清華大學召開，會上宣貫了《GB/T32091-2015紫外線水消毒設備紫外線劑量測試方法》和《GB/T32092-2015 紫外線消毒技術術語》兩項新國家標準，并宣布國家標準《城市給排水紫外線消毒設備（GB/T19837-2005）》成立修訂編制組。對此，中國水網近日對國家紫外線消毒標準化委員會主任、清華大學環境學院教授劉文君進行了專訪，劉文君教授從紫外線消毒技術的應用、現狀和存在的問題，剖析了此次國標修訂的原因。
紫外線消毒方興未艾 污水處理廠應用超過50%
紫外線是一種低能量的電磁輻射。一定波長范圍內的紫外光會破壞水中微生物的遺傳物質的結構，導致微生物無法繁殖，從而喪失致病能力，實現對水消毒的目的。盡管在國際上紫外線消毒技術從20世紀初就得到了廣泛的應用，在我國，紫外線消毒技術卻正處于方興未艾的時期。
據劉文君教授介紹，在水與污水的消毒過程中，最應該關注的有三點：一是保證處理后的水質的安全性，即保證水中微生物被有效的去除；二是保證消毒過程中的副產物要少；三是保證消毒系統本身的安全性。而紫外線作為廣譜殺菌射線，在足夠的照射劑量下，能殺死一切微生物，而且殺菌速度快。同時，紫外線消毒屬于物理作用，不產生有毒有害物質，不改變水質。最后，紫外線在消毒過程中是通過紫外發生裝置產生UV-C照射流水實現，不使用額外的化學藥物。因此，以上三點使得紫外線消毒技術在給排水中的優勢逐漸突顯出來，并且在近幾年得到了迅猛的發展。
“在2002年以前，我國的污水排放并沒有關于消毒方面的要求，直到2002年底我國頒布的《城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）》中首次將微生物指標列為基本控制指標，要求城市污水必須進行消毒”，劉文君教授介紹說，“當然，03年的‘非典’事件對這項標準也起到了很好的督促作用，這為紫外線消毒技術在污水處理中的推廣應用提供了契機。”同時，劉文君也提到，傳統的氯消毒技術，因為會在水中殘留一定量的余氯，而對河流水體生態產生影響，因此有所欠缺。“因為很多污水處理廠都是近幾年新建立的，這為紫外消毒技術的應用提供了可行性。目前，紫外系統在我國市政污水處理的應用已經大規模展開，使用紫外線消毒技術的污水處理廠超過50%。”
紫外線消毒在當前供水市場全國應用總規模為300~400萬m3/天
相比污水處理廠，紫外消毒技術在給水廠的應用相對較少，當前全國應用總規模為300-400萬M3/天，約占總供水量的1.5%-2%。“主要原因是我國的給水廠消毒系統本身就很完善，如果想改變傳統的氯消毒技術，需要重建或在原來的基礎上加以改造，這相比新建的污水廠，難度就要大很多”，劉文君教授說。自從2006年頒發的《生活飲用水標準（GB5749-2006）》中將“兩蟲”（賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲）列入水處理消毒目標微生物，紫外線消毒技術就有了優勢，因為常規的化學消毒對“兩蟲”滅活的效果十分有限。同時，因為顧及到液氯消毒法所存在的安全隱患，比如，爆炸和泄漏的風險。“從08年奧運會北京禁止使用液氯消毒開始，不提倡使用液氯消毒已經逐漸成為了自來水行業的一個趨勢。”
關于農村供水，劉文君介紹，“農村供水在以前也沒有要求消毒，而是重點解決‘三高’的問題，即高砷、高氟、苦鹽水。不過由于近幾年國家對水質要求變高，所以在‘十一五’的時候，我們與多個單位合作對農村供水消毒進行了研究。”該研究由清華大學、中國水利水電科學研究院、中國衛生部和中國軍事科學院聯合進行，每個單位負責一項常用的消毒技術，并進行了很多工程應用試驗。最后結果表明，由清華大學負責的紫外線消毒技術比較適合農村水消毒的模式。最主要的原因是使用簡單、對技術能力要求低以及效果穩定。
劉文君還提到，中國的水況其實很適合用紫外線消毒，因為中國原水中的氨氮含量很高，而氨氮的存在會對氯消毒有很大的影響。“加氯消毒的時候，氯會在水中形成次氯酸，進而起到消毒的作用。但是當水中存在大量氨氮的時候，原本應該生成的次氯酸則被氯胺代替，于是預期的次氯酸消毒就會變為氯胺消毒。雖然氯胺也有消毒效果而且副產物比較少，但是其消毒強度只有次氯酸的千分之一，所以最后消毒的效果自然不盡如人意，這可能也是中國自來水微生物學指標不能全面滿足水質標準要求，從而導致不能直接飲用的原因之一。”不過紫外線則不受水中氨氮含量的影響，劉文君說，“北京自來水相對較早的接受了紫外線消毒技術，他們發現，使用紫外線消毒后后，管網中的細菌數比用氯消毒的時候下降了很多。”因此，除了此次紫外線消毒設備國標的修改，劉文君教授表示，“在《室外給水設計規范》的修訂中也已經添加了紫外線消毒這一項。預計明年會發布，一些新建的自來水廠都會采用。”
因此，在劉文君看來，紫外線消毒技術在污水與供水行業中都很有前景。不過關于二次供水，劉文君教授提到，紫外線會分解水中的余氯，導致水質下降，因此，紫外線消毒在二次供水中的應用還有待考究。
紫外消毒設備正常運行者不到1/3 工程和研究問題待解
“從2005年開始實踐至今，隨著紫外技術在污水處理中應用的增加，一些問題開始暴露出來，這也是此次修訂國標的原因”，劉文君說道，“現在雖然污水處理行業中有一半以上在使用紫外線消毒技術，但其實正常運行的只有三分之一左右。其余的部分，或是為了應付檢查裝裝樣子，或者因為對紫外線技術的認識不夠而不知道該怎么用。比如，提到紫外線消毒，大家可能會關心透光率的問題，就是紫外線可以穿透多深的水。實際上，在計算紫外線有效劑量的時候，透光率已經作為因子在計算中扣除了，所以如果有效劑量是正確的，水的透光率并不會產生影響。”劉文君認為，很多人誤以為紫外線消毒其實就是一個“燈管”，使用起來很簡單，但其實紫外線的技術遠要比這個復雜，“有些人甚至認為紫外線燈管是要放在水外面的，這些理解都是錯誤的。”由此可見，如果對紫外線技術的認識不到位，會導致紫外線無法正常工作。
劉文君指出，在使用紫外線消毒技術時，工程中主要遇到的問題可能會包括：一、燈管的選擇和數量。“因為對紫外線技術的不了解，甲方可能會一味的依賴供貨商，乙方則會追求經濟效益，結果大家都不考慮真正需要什么樣的燈管”；二、水質的影響。“水質對紫外線消毒效果有很大的影響，但是在之前很少有人會考慮這方面因素”；三、燈管與整流器的匹配問題。“因為缺乏經驗，很多人都沒有注意到兩者的匹配與否會很大程度上影響消毒的效果”；四、設計和參數設定不合理。“我們在設計第一個反應器的時候，沒有排氣的閥門，因為沒有考慮到會有氣體的存在。通過實踐和經驗的累積，之后的反應器就設了排氣閥。”
除了行業上的問題，專家們可能會遇到學術上的一些問題。“我們遇到的第一個問題就是消毒以后的水應該在哪取樣檢測”，劉文君說。因為紫外線消毒效果短暫，細菌被殺死之后可能還會恢復，所以取樣點與消毒點太遠可能會“冤枉”了企業，但是如果太近，又會影響檢測效果。“另外，消毒以后‘重生’的細菌對水系統的影響是否與之前的一樣，也值得考慮”，劉文君說。這里提到的“對水系統的影響”指的是細菌本身的性質是否因為紫外線消過毒而發生變化，即同樣數量的消毒前的細菌和消毒后“重生”的細菌是否會有相同的“破壞力”，不過目前，這個問題在學術上并沒有公認的答案。
除了國內的問題，國際上也遇到了關于紫外線消毒技術的棘手難題。美國專家曾經向劉文君教授請教：紫外消毒后到底該用什么方法檢測細菌？“這是個很有意思的問題”，劉文君說，“傳統檢測細菌的方式是用培養皿，培養一段時間后查菌落的個數，這種方法的實驗周期比較長。目前基因技術發展較快，細菌數一般采用檢測DNA的方式，因為氯消毒的時候DNA會被分解，當檢測不出DNA的時候，就可以判斷微生物已經被消除。然而，如果使用紫外線消毒，消毒之后，細菌并沒有真正的‘死亡’，DNA還在，只不過不能復制了，所以DNA的方法可能會有問題。目前我們正在研究檢測相關技術問題”
“實踐中的這些問題導致紫外線技術在污水處理中受阻，也反映出老標準不太適合當前的新的情況。所以想通過這次修改國標來解決這幾點問題”，劉文君說，“所以修訂的重點還是在技術參數和測試方法上，比如燈的壽命、劑量的計算、溫度的影響等都被考慮在內。在修訂啟動之前，我們做了大量的調研工作，讓一些已經使用了紫外線技術的機構總結使用感受和成功與不成功的案例。我們還從美國請來了專家，來問問他們的意見。”
開啟第三方驗證中心 以生物曲線檢驗紫外消毒系統
紫外線消毒跟傳統的消毒處理不一樣，單位是mJ/cm2，所以，想要得知紫外線系統的效率，很難像傳統的消毒技術（單位是mg/L）那么直觀。“想驗證反應器到底有多少劑量，計算很繁瑣。另外，燈的折射和反射等作用也很復雜，所以驗證計算不是很準確”，劉文君教授說道，“這個時候，就需要用生物驗證的方法。”今年6月1日開始施行的《紫外線消毒技術術語》和《紫外線水消毒設備 紫外線劑量測試方法》就是詳細說明了生物驗證的應用方法。驗證候，通過加入定量的細菌，測量出水中細菌的滅活率，從而得出以流量、劑量和透光率為變量的生物曲線，到達計算劑量的目的。
除了劑量的計算，紫外線消毒系統還有一個核心部分就是其“燈管”的質量。“燈管本身的質量往往容易被忽視，我們自己的實驗室也吃過這個虧，因為實驗效果不理想，原因查找了好幾個月，最后才發現是紫外線燈管有問題”，劉文君教授說，“因此，有必要引進一個第三方機構，通過生物驗證曲線來檢驗包括紫外線設備在內的整個消毒系統。為了確保公平公正，這個機構必須要是獨立的、與任何一方沒有利益關系的。開啟第三方驗證中心也是我們近期與國家質檢總局正在做的。”
新型技術興起 LED紫外燈或是未來發展趨勢
隨著紫外消毒技術的快速發展，一些新型紫外技術也慢慢興起。“最近發展比較快的是LED紫外燈，目前在我國也有大規模生產，如在青島、馬鞍山和深圳等地，但在水處理中LED UV剛剛開始，如果LED燈可以的話，我們可能會重點發展這塊領域”，劉文君教授說。相比傳統紫外燈，LED燈的優勢是：一、燈的壽命更長。“傳統的紫外燈壽命很短，國標規定低壓燈是12000小時，中壓燈管是5000小時。因為LED是半導體，所以壽命會更長”；二、燈的波長更多樣化。“傳統的紫外燈放出的波長是254nm，用LED的話，波長會更多”；三、燈的電效率會更高。“現在的紫外燈70%以上的電都用來發熱而不是變成紫外線，而LED燈的效率會更高。”不過劉文君教授認為，目前LED紫外燈離工程運用還有一小段距離，因為單個LED紫外燈的功率很低，“不過，不可否認的是，LED燈的出路和前景不錯。”
最后，劉文君教授表示，新標準的修訂已經正式啟動，在2017年有望正式頒布，“新標準旨在能夠在中國國情下反應國內工程實際的需求，以解決之前遇到的問題。爭取做到有‘先進性、實用性、可行性、代表性’”。
