紫外线水处理技术在我国城镇给排水领域的应用现状、挑战与发展趋势

根据相关部门统计数据显示，截至 2019 年底，我国已建成 9200 多座城镇污水处理厂，总处理规模达 2.27 亿立方米 / 日。其中，约 3000 家污水厂采用紫外线消毒工艺，处理规模约 1.6 亿立方米 / 日，按处理规模计算，紫外线消毒处理水量占现有污水厂总处理水量的 70% 左右。这意味着我国超半数城镇人口受益于紫外线消毒这一环境友好型水处理技术。若按 3 毫克 / 升的氯投加量核算，我国每年可向处理水体及受纳水体减少约 17.5 万吨氯消毒剂投放，在保护环境、维护生态平衡、保障人类健康及推动可持续发展等方面，产生了显著的经济与社会效益。2020 年 4 月，国际紫外线协会（IUVA）发布白皮书，证实了紫外线技术对新冠病毒的灭活有效性，为该技术防控新冠病毒通过水媒传播提供了重要理论支撑。

然而，长期以来，我国污水处理领域在紫外线消毒技术的应用认知上存在明显不足。例如，部分人士认为紫外线消毒仅需将紫外灯管放入水中，不同设备的消毒效果差异不大，采购时可优先选择低价产品；由于紫外消毒设备属于非标产品，许多用户及设计单位不掌握设备及方案的工程消毒设计要求评估方法，进而采取 “拿来主义”，对设备厂家提供的方案照单全收，默认其消毒性能达标，导致部分存在严重消毒性能缺陷的设备被应用于工程中，造成污水厂尾水消毒排放不达标，也对紫外线消毒技术的科学性与有效性产生了负面误导。

一、紫外线消毒在污水处理中应用效果的制约因素

经过近 40 年的发展，现代紫外线消毒理论与技术已成为全球公认、成熟高效的工程应用技术。对某紫外设备厂家产品的现场应用统计分析显示，在国内 500 多个安装该厂家设备的污水厂中，曾有 50 余个出现大肠杆菌出水不合格情况。其中，因设备无法满足进水水质消毒需求的仅 2 例，绝大多数不合格问题源于设备使用维护不当或大肠杆菌检测操作不规范。若不加分析地否定这一环境友好、低碳环保的技术，进而因噎废食，显然不符合科学态度与方法，也不利于技术的创新发展。通过调研国内污水处理领域紫外线消毒技术的应用现状，总结出影响该技术有效应用的主要制约因素如下：

（一）设备剂量不足

在紫外消毒设备无法满足出水达标要求的污水厂中，核心原因之一是设备所能实现的紫外照射剂量偏低，未达到消毒目标要求。导致这一问题的主要原因包括：部分设备厂家不掌握紫外剂量计算方法，未对产品紫外剂量进行检测，或为降低造价而在剂量上 “缺斤短两”；通常，同等处理水量下，水质越差所需设备规模越大，但部分厂家忽视水质对紫外剂量与设备规模的影响，仅按处理流量简单放大或缩小设备规模，导致处理效果不达标；此外，部分设备的水位控制器设计不合理，造成明渠水位异常，引发消毒短路，最终导致出水不达标。紫外剂量及其计算方法是紫外线消毒的核心，既是判断设备及方案是否达标的唯一参数，也与设备规模及价格密切相关。

（二）缺少可靠的清洗系统

紫外灯套管的清洗维护效果不佳，是导致设备不达标的另一常见原因。由于污水水质复杂，套管表面易附着污垢，定期清洗成为保障紫外消毒设备达标运行的重要日常维护工作。目前市场上的紫外消毒设备虽基本配备在线自动清洗装置，但不同装置的清洗效果在原理与实践中存在显著差异。即便采用高效的机械 + 化学在线自动清洗方式，若水厂操作人员未及时补充清洗液，也会导致清洗系统无法正常工作，套管结垢进而影响消毒效果。此外，部分设备的在线自动清洗装置本身在原理设计与实际应用中存在缺陷，无法高效清洁套管表面，清洗效果一般甚至较差，最终导致设备因难以维护、无法实现消毒达标而被废弃。

除此之外，部分污水厂在紫外灯技术选型上存在失误，导致设备无法正常使用及达标。例如，中压紫外灯单支功率高、运行温度高，并不适用于污水处理场景，易使污水中部分成分在套管表面形成难以通过清洗液去除的污垢，影响设备达标运行与维护。

（三）灯管达到寿命仍在使用

紫外灯的寿命界定与日常照明灯具不同：日常照明灯具以能否点亮照明为寿命终点，而紫外灯的使用寿命以厂家质保期限届满时的紫外输出能量（即灯管老化系数）为界定标准。部分污水厂为节省运行费用，在灯管已远超质保寿命、紫外输出能量衰减至无法满足消毒剂量要求的情况下，仍继续使用；另有用户在灯管寿命到期更换时，为控制成本仅更换部分旧灯管，这些行为均会导致消毒不达标。

（四）取样和检测不规范

大肠杆菌在室温环境下，尤其在高温、见光条件下会呈几何级数增殖。污水厂出水微生物水样的取样、保管、运输及储存分析需严格遵循相关标准规范，例如，现场取样后需及时放入含冰袋的便携式暗箱中保存运输至实验室，若实验室无法及时分析，需将水样冷藏保鲜等。部分污水厂实验室分析人员在大肠杆菌培养检测过程中的操作不当，以及个别地区环保监管部门在取样、保管、后续处置分析中的不规范行为，均可能导致对紫外消毒效果的误判。以华南某城市环保监管部门为例，该部门曾于周五对多个污水厂进行采样，样品瓶随意放置在敞开见光的收纳篮中，未配备冰袋等保鲜用品，返回实验室后水样在常温环境下放置至周一才进行分析，大幅增加了大肠杆菌检测结果不达标的概率。

二、工程设计中判断紫外消毒设备方案合理性的基本原则

当前，我国城镇污水处理行业需提高对紫外线消毒技术的正确认知，用户及设计单位应掌握设备及方案消毒性能的评估方法，确保采购到合格产品，保障自身利益与公众安全。判断紫外消毒设备方案合理性的核心原则如下：

（一）生物验定剂量

判断设备方案消毒性能是否满足工程设计要求，关键在于核查其所能传递至微生物的紫外能量，即紫外剂量是否达到消毒目标。紫外剂量的计算方法多样，其中，生物验定剂量法是全球包括我国法规标准制定与执行部门唯一认可的方法。该方法通过在特定测试工况下，检测微生物进出设备前后的浓度变化，反推设备在该工况下的有效紫外剂量（实际剂量）；通过改变测试条件（如处理流量、水质），可绘制设备在不同工况下的紫外剂量曲线

该曲线横坐标通常为单台设备（管道式紫外设备常用）或单支灯管（明渠式紫外设备常用）的处理流量，纵坐标为设备可实现的有效紫外剂量（生物验定剂量），UVT 代表处理水体的紫外透光率。设备制造商应依据该曲线计算方案紫外剂量，并体现在设备规模（设备台数、灯管数量、总装机功率）中，剂量越高，所需设备规模越大。用户及设计单位只需要求厂家提供生物验定剂量报告及剂量曲线，即可快速核算方案剂量是否满足消毒目标。为保障公众安全，全球多数国家的法规与标准均要求，紫外剂量生物验定测试需由行业公认的有资质或权威的独立第三方，按照相关行业标准开展。国际主要验证体系与规范包括美国环保署（EPA）饮用水紫外消毒设备验证、德国 DVGW 饮用水紫外消毒设备验证、奥地利 ÖNORM 饮用水紫外消毒设备验证等。我国已发布《紫外线水消毒设备 紫外线剂量测试方法》国家标准，清华苏州环境创新研究院与山东省城市供排水水质监测中心已具备相关检测能力，但目前仍有不少设备厂家未开展相关测试。因此，用户采购时应要求厂家提供由有资质或经验的独立第三方，按照行业规范检测出具的生物验定剂量报告及剂量曲线，无相关报告的厂家，其产品剂量难以得到保障。

（二）总装机功率和消毒达标担保时效

紫外剂量是衡量设备消毒达标的唯一核心参数，但在用户及设计单位对厂家生物验定剂量报告的真实性与准确性存疑时，可参考设备方案中的灯管总装机功率进行初步判断。在灯管类型与消毒器形制相同的情况下，若不同厂家方案的剂量相同或相近，其灯管总功率不应存在显著差异。若某厂家方案的灯管装机功率与行业优质厂家同类方案相差 20% 以上，则该方案的消毒剂量大概率无法达标。需要注意的是，总装机功率仅可作为参考指标，不可单独用于衡量消毒性能 —— 因不同厂家设备的系统效率存在差异，技术先进的厂家可通过更高的系统效率，以较低的装机功率与能耗实现同等消毒效果。事实上，即便两家厂家使用相同灯管，其设备消毒效果也可能存在较大差异。因此，最可靠的判断方法仍是核算设备的有效紫外剂量（生物验定剂量），在剂量达标的前提下，再综合比较设备价格、运行成本（含电耗、灯管更换费用等）及运维便利性，以采购到消毒性能可靠且性价比高的产品。此外，部分厂家的消毒达标担保在设备调试验收结束后或现场安装后 18 个月失效，这反映出其剂量计算未充分考虑灯管老化衰减的影响。从保护用户利益角度出发，紫外消毒设备的消毒性能担保应覆盖设备全使用寿命周期，这也是用户选择设备厂家时需重点关注的内容。

三、紫外线消毒技术在城镇给水处理中的应用现状和挑战

（一）给水处理中紫外线消毒的意义和作用

随着经济发展与人民生活水平的提升，政府与公众对饮用水安全的重视程度持续提高。近年来，我国饮用水水质标准历经多次修订，最新的《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022）对饮用水安全提出了更高要求，尤其是针对消毒副产物与余氯上限的规定，给传统氯消毒工艺带来了不小挑战。在此背景下，上海、深圳、苏州、福州等城市进一步提出了更高标准的高品质饮用水目标或地方标准。紫外线消毒作为一种物理消毒方法，具有杀菌广谱性强、不使用化学药剂、不产生消毒副产物等优势，成为满足新形势下供水安全提升需求的重要技术选择。

饮用水中存在多种耐氯微生物，除贾第鞭毛虫、隐孢子虫等常见种类外，研究表明，我国给水厂出厂水及供水管网中还普遍检出鞘氨醇单胞菌、假单胞菌、蜡样芽孢杆菌、溶血不动杆菌等耐氯微生物，其中部分为条件致病菌。若要有效灭活这些耐氯微生物，需大幅提高氯的 CT 值（消毒剂浓度与接触时间的乘积），这不仅会导致氯消毒工艺经济性下降甚至难以工程实施，还会显著增加消毒副产物超标的风险。严格来讲，传统单一氯消毒单元存在安全漏洞，一旦该单元出现故障，给水厂将彻底失去微生物安全屏障。因此，从生物安全与化学安全双重角度出发，多屏障消毒策略已成为提升供水安全的必然选择。这一理念目前已在北美、欧盟等地区的城市给水厂中得到广泛应用，而紫外线消毒因同时满足生物安全与化学安全要求，成为联合消毒方式中不可或缺的关键环节。

（二）紫外线消毒在我国给水处理中的应用现状

近年来，多屏障消毒理念与紫外线消毒技术逐渐获得我国给水领域的认可与推广，并在城市给水厂中得到初步应用。据不完全统计，目前国内已有 60 多家大型给水厂采用紫外线消毒工艺，总处理规模达 1000 万立方米 / 日。其中，2009 年建成的天津泰达自来水厂三期工程与上海临江水厂紫外线消毒工艺，是我国最早运行的紫外线主消毒工艺项目；2014 年通水的北京郭公庄水厂紫外 - 氯联合消毒工艺，成为 “十二五” 国家重大专项示范工程；2017 年建成的拉萨纳金水厂紫外线消毒工艺，是国产设备应用规模最大的工程案例。

实践表明，将紫外线消毒作为主消毒工艺，可提升水质微生物安全性，适当降低后续氯消毒工艺的 CT 值，在一定程度上减少消毒副产物生成量与水的毒性效应，为供水水质安全提供有力保障。相关研究也证实，相较于传统单一消毒工艺，紫外线联合氯消毒可进一步提升管网水质安全性。

在实际应用中，与污水厂相比，给水厂对紫外消毒设备的消毒性能与品质要求更高，这是保障供水安全的必然需求。在设备选型采购方面，除需通过行业标准生物验定剂量验证外，我国的涉水批件也是重要认证要求 —— 部分城市的卫生检疫部门明确规定，给水厂使用的涉水设备与材料必须具备国内涉水批件方可投产供水。我国新修订的《室外给水设计标准》（GB 50013—2018）也新增了紫外消毒工艺相关内容，为该技术在城市给水厂的应用提供了积极指导与推动。据了解，目前越来越多的城市正规划或设计饮用水紫外线消毒工艺，预计该技术将在提升我国城市供水水质安全方面发挥更为重要的作用。

四、紫外线高级氧化技术及其应用

紫外线除可直接用于水体消毒外，还可通过光解作用与过氧化氢或其他氧化剂联用，产生羟基自由基，对水体中的微量有机污染物进行高级氧化处理。羟基自由基作为强氧化剂，具有无选择性的特点，相较于臭氧，对化学污染物的处理广谱性更强，且产生溴酸盐等副产物的风险更低，能够有效降解水体中多种有机污染物，包括给水领域广受关注的 N - 亚硝基二甲胺（NDMA）。NDMA 是国外给水处理与再生水处理相关标准中常见的目标污染物，而紫外线高级氧化技术目前被认为是处理该污染物最经济有效的工程技术手段。此外，该技术对水中 2 - 甲基异莰醇（2-MIB）和土臭素的去除率高达 90%，对多种藻毒素的去除率更是超过 99%，因此被视为饮用水中嗅味及相关藻毒素控制的有效技术选择，尤其适用于季节性间歇运行场景。

在国外，紫外线高级氧化技术已在饮用水及饮用相关再生水处理领域拥有众多成功工程案例，但在我国的应用尚处于起步阶段。2020 年建成的山东德州庆云水厂紫外线高级氧化工艺，是我国首个给水厂应用案例。随着我国对水体中新兴污染物的认知与关注度不断提升，以及城镇给水污染物处理向微量、痕量方向发展，紫外线高级氧化技术将在我国城市饮用水，特别是高品质饮用水处理中发挥重要作用。

五、我国紫外线水处理技术及应用研究的趋势和发展方向

紫外线水处理技术在我国城镇给排水厂的广泛应用，带动了国内科研单位与高等院校的相关研究工作，为行业了解和掌握该技术提供了重要支撑。

自 1999 年起，相关文献发表数量显著增长，这与紫外线消毒技术在我国城镇污水处理领域的应用推广起步时间基本一致。2002—2003 年，该领域文献数量实现大幅飞跃，既为 2003 年非典疫情期间及后疫情时期紫外线消毒技术在污水厂的应用奠定了技术基础，也为其后续推广提供了有力支撑。对国内相关文献的分析表明，研究内容涵盖紫外消毒灭活机理、杀菌有效性、反应器设计、剂量验证、光强监测、工程应用及设备运行效果与成本分析等多个方面，为用户与设计单位认识和应用紫外线水处理技术提供了重要参考。但目前我国该领域研究存在 “单打独斗” 的现状，同行间缺乏充分交流，这与国内缺少专业领域交流平台密切相关。对此，清华大学牵头成立了中国环保机械行业协会紫外线专委会，通过与 IUVA 签订合作备忘录、组织紫外线技术国际研讨会等活动，搭建行业国内国际交流桥梁，对提升我国紫外线水处理技术水平与国际影响力具有重要意义。

在研究方向上，新型紫外线高级氧化技术体系、紫外发光二极管（UVLED）及准分子灯等新型紫外线光源的应用原理，将成为未来研究热点。行业内也迫切期待新一代智慧化、节能高效的紫外线水处理系统的工程应用研究，这与我国 “双碳” 战略目标方向高度契合。

结语

紫外线水处理技术是一项环境友好、生态兼容、以人为本的低碳技术，相较于化学消毒方法，对人类社会可持续发展具有重要价值。该技术已在我国城镇污水处理领域广泛应用，未来在提升供水水质安全方面也将占据重要地位。但目前我国对该技术及应用的认识和掌握水平仍需进一步提高，尤其是广大用户与设计单位，需深入了解紫外线水处理设备性能的设计计算依据及运行过程中的关键注意事项，确保工程所用设备满足设计与生产要求。

从行业发展角度来看，一是期望所有设备制造厂家加强行业自律，切实保障用户利益与公众安全；二是用户与设计单位应借助第三方检测评价手段，提升对紫外线产品的认知与判断能力；三是科研机构需持续加强新型紫外线高级氧化技术体系、UVLED 及准分子灯等新型光源应用原理等热点领域研究，推动紫外线技术在保护我国环境、生态及人类健康方面发挥更大作用