1概述
随着我国乡镇城市化进程的加快，乡镇人口不断集中，乡镇企业迅速发展，乡镇污水排放量不断增加，污水性质也在多变复杂化，对环境不利影响也越来越严重。污水经过一级预处理、二级生物处理后，水质得到了一定的改善，但水中仍存在大量的细菌、病毒等病原体，若不经有效消毒直接排入自然水体，将会对环境及人类健康产生不利影响。因此采用高效的水处理技术，特别是杀灭水中的病原微生物，对环境和人类健康具有重要的意义。紫外线可以有效地灭活水中的各种微生物，并已经广泛地用于污水消毒中［1，2］。与传统的化学消毒如氯消毒、臭氧消毒相比，紫外线消毒具有无需添加化学药剂、不会形成有毒的消毒副产物、消毒耗时短和设备占地小等优点，因此受到大力推广使用［3］。据统计，国内外已有超过7000家污水处理厂采用紫外线消毒工艺，其中大部分都采用模块化的明渠式系统，选用低压或中压汞灯作为紫外光源［4］。但是采用汞灯作为紫外光光源也具有一定的缺点，汞灯一旦破碎，将会持续向外界环境释放汞，污染环境。另外，汞灯易碎易老化，寿命较短，且需要消耗大量的电能来运行［5］。故开发其他类型的紫外灯管来代替传统的汞灯是近年来的重点研究方向。以往大量文献介绍了紫外线消毒应用于污水处理的实例［6⁃10］，但缺乏对其机理、应用及未来研究方向进行归纳总结。本研究通过对紫外线消毒技术在污水处理中的作用机理和应用情况的综述，展望了紫外线消毒技术在污水处理领域的发展趋势，为紫外线消毒在污水处理领域的发展提供重要的理论依据。
2紫外线消毒的机理
紫外线（UV）是一种波长在10nm～400nm之间的肉眼不可见光线，大致按照波长可分为UV⁃A（315nm～400nm）、UV⁃B（280nm～315nm）、UV⁃C（200nm～280nm）和真空紫外（100nm～200nm）等。污水处理大多数是用UV⁃C（200nm～280nm）波长范围进行消毒［11］。一般来说，芳香族化合物比较容易吸收紫外光，特别是DNA中的胞嘧啶和胸腺嘧啶，RNA中的胞嘧啶和尿嘧啶［12］。DNA或RNA是生物体发育和正常运作必不可少的生物大分子，当微生物的DNA或RNA分子吸收紫外线时，会导致生物体的死亡［13］，该过程为光化学反应过程。许多科学家对紫外线引起的DNA损伤进行了研究，根据微生物学实验，紫外线照射引起的诱变DNA损伤产物主要有环丁烷嘧啶二聚体（CPDs）和6—4光产物，在诱变DNA损伤产物的检测中，CPDs约占DNA损伤产物的75％，该反应为主要诱导损伤反应［14］，生物体产生CPDs时，DNA双链结构被破坏，RNA的复制和转录就无法进行，微生物生存和繁殖所需的蛋白质也无法被合成，最终导致微生物体死亡。研究表明，DNA的最大紫外吸收波长约为253．7nm，然而在大多数情况下，不同生物体的吸收波长的能力有所差异，微生物的紫外光敏感性并不一定完全与DNA吸收波长吻合［15］。生物学上常用失活速率常数k来表示微生物对紫外光的敏感度，k值越大，微生物对紫外光的敏感度越强，越容易被杀灭。如表1所示，在254nm波长的紫外光下，大肠埃希氏菌的失活速率常数远高于其他微生物，说明比其他微生物更容易吸收UV⁃C的辐射［12］。另外，微生物的生命活动除了DNA和RNA外，其他成分，如蛋白质和细胞膜，对生物体的生命活动也具有重要的意义，紫外光也有可能通过破坏这部分物质的性质进而影响生物体的生命活动。例如，ϕX174噬菌体在255nm的紫外光波长照射下，比在254nm波长紫外光中更敏感，这说明紫外光在影响生物体遗传物质的同时，还影响了生物体生命活动的其他必要成分［12，16，17］。因此，我们应该对不同的生物分析其在不同紫外光波长下的失活速率常数k，以确定其最佳紫外吸收波长，达到最佳消毒效果。紫外线消毒属于瞬间消毒技术，无持续杀菌能力，水体通过紫外线反应器一段时间后，会出现水中微生物含量回升的现象［21］，这也是紫外线消毒技术的缺点之一。据文献报道，微生物DNA修复是导致其复活的重要因素，而大多数的DNA修复，包括光修复和暗修复［22］。许多生物已经进化出光修复机制，例如大肠杆菌［23］。光修复即是在310nm～480nm波长光（UV⁃A或部分可见光）的作用下，光修复酶能将CPDs解聚为单体，使微生物生命活动恢复正常。暗修复不需要光，是用未受损的DNA取代受损的DNA核苷酸，从而进行修复［24］。有研究表明，白色广口瓶水样中粪大肠杆菌复活率远高于棕色广口瓶的复活率［25］，说明光修复是DNA修复的主要反应过程。无论是光修复还是暗修复，均是由于消毒过程中紫外光剂量过低引起的，当紫外线剂量大于100mJ／cm2时，光修复作用不会发生，而且经紫外线照射2h后，部分微生物将完全丧失光修复能力［7］。故紫外线剂量的大小是发生光修复与否的关键。
3紫外线消毒技术在污水处理中的应用
3．1紫外线消毒系统的组成。紫外线消毒系统从结构上可分为明渠式和封闭管道式，目前超过90％以上的污水厂采用明渠式紫外线消毒系统［8，26］。一般的市政污水紫外线消毒系统，除混凝土渠道外，一般包括以下组成部分：紫外线消毒模块组、配电系统、控制系统、紫外光强探头、低水位探头、水位控制装置、清洗装置等［8，27］。紫外线消毒模块组是紫外线消毒系统的主要部分之一，它包括了紫外线模块和模块支架；紫外线模块又包括了紫外灯、灯管套管、遮光板和镇流器，还有一台微型起吊设备，用于安装、清洗、更换紫外线模块。配电系统负责整个紫外线消毒系统的供配电。控制系统用于控制紫外线消毒系统的参数设置和运行，可以将紫外线消毒系统的运行参数传输到厂区的总体控制中心，也可以根据总体控制中心传输的指令，调整系统的运行状态。紫外光强探头用于监测消毒模块的紫外光剂量，以此来判断消毒效果是否达标。低水位探头和水位控制装置用于保护紫外灯管，防止水位过低，灯管暴露在空气中干烧损坏，也可以使系统水位维持在一个相对恒定的位置。清洗可分为人工清洗和机械清洗。人工清洗即人为将灯管拆出，对灯管进行擦洗。机械清洗即在灯管上安装清洗环，自动擦洗灯管表面结垢。
3．2紫外灯管的类型。污水处理中紫外线消毒灯常用的是汞蒸气灯。其工作原理是汞蒸气和电子的碰撞导致汞的激发，当汞原子返回基态时，将发射出紫外光，少量的汞通常被加入含氩气载气的灯中，灯中的电极产生等离子体，并由该等离子体提供电子［28］。由于紫外线无法透过普通玻璃，因此常使用石英套管来作为紫外灯。目前污水紫外线消毒系统中常用的紫外灯管有：低压灯（LP）、低压高强灯（LPHO）和中压灯（MP）。中压型系统单根输出功率高，约420W～25000W，紫外光的分散度大，光谱范围广，输出波长为230nm～300nm，但光电转换率仅为15％，电耗较高；灯管使用寿命约5000h，更换周期较短。低压型系统光电转化率约30％～40％，灯管使用寿命约8000h～12000h，灯管利用率高，输出波长单一为253．7nm；单根输出功率低，低压灯约30W～60W，低压高输出灯约90W～100W；所需灯管数量多，更换成本高。在相同有效剂量的条件下，三种类型紫外灯的消毒效果是相同的。但低压低强紫外灯的光强相对较弱，穿透力不高，适用于低浊度污水；中压紫外灯的光强较强，穿透力较高，比较适合稍高浊度污水的处理［29］。
4未来研究方向
由于汞蒸气灯存在着汞泄露的风险，科学家们一直在研究寻找更安全的紫外灯来代替传统的汞蒸气灯。随着半导体工业的快速发展和进步，紫外发光二极管（UV⁃LEDs）作为一种新的紫外光源被开发出来。其工作原理是利用半导体材料，通过电子和空穴复合释放能量发光，发出光的波长取决于半导体材料的类型。不同波长的紫外光可以用不同的半导体材料制造获得，最常用的材料是Ⅲ⁃氮化物［30］。UV⁃LEDs系统具有几个独特的优势，例如，波长范围广，可满足多种消毒需求；对环境友好，不存在汞泄露风险；装置紧凑，比传统紫外线消毒系统占地更少；启动时间快，无需预热，可以高频率开关；使用寿命更长，可达100000h［31］。传统的中压汞灯虽然也可以选择使用不同波长的紫外光，但其每次发出的紫外光光谱是固定的，无法进行调节变化，而UV⁃LEDs可以灵活的调整不同紫外光波长的搭配和通量，使得杀菌效果达到最佳状态［31］。尽管UV⁃LEDs系统相比传统紫外线系统具有许多优点，但该技术尚处于研究开发阶段。若要系统化、规范化地应用到污水处理中，还需要大量的探索、研究、实验来解决一系列的问题，例如，不同波长紫外光的组合对杀灭污水微生物的效果有何影响，UV⁃LEDs应用于污水处理中应该通过什么样的装置来实现，应该通过什么标准来判断UV⁃LEDs的消毒效果等等。这将是未来紫外线消毒技术的重点研究方向。
5结语
城市污水中含有细菌、病毒等其他对环境、人类健康有不利影响的病原体。紫外线消毒凭借其高效灭菌效果、消毒耗时短、操作安全、无消毒副产物污染等优势，在经济性及对环境友好方面具有明显的优势。紫外线消毒机理是通过破坏微生物的DNA和RNA结构，使微生物无法合成生命活动所需的物质进而死亡来达到消毒的效果。但若紫外线剂量不足，或者消毒时间过短，微生物杀灭不完全，则有可能会产生微生物复活现象。目前，搭配汞灯的紫外线消毒系统已在污水处理领域内广泛应用，但仍存在着许多问题需要解决：紫外线汞灯易碎，存在着汞泄露风险；使用寿命短，需常更换灯管等等。
作者:朱俊彦 单位:华蓝设计（集团）有限公司