韩闽毅　　 陈健
福建新大陆环保科技有限公司

　　摘要：生物验定剂量法是一种评估紫外剂量和消毒效果关系的有效方法。整个过程主要包括用准平行光束仪测定受试微生物的灭活率与紫外剂量关系；用与实际使用相同的单元模块模拟消毒系统测定紫外剂量与水流量的关系；根据达到消毒要求所需要的最低紫外剂量来确定紫外消毒系统所需要的紫外灯数。在整个模拟测试过程中，应尽可能控制各种试验条件与实际运行条件一致，尤其要注意高峰期排水量，透射率，SS和紫外灯老化后对水消毒效果的影响。生物验定法用于紫外消毒系统结构的验定。其中受试菌的选择要稳定，可靠性可重复性好。影响紫外消毒效果的主要因素是水介质紫外透射率，固体悬浮物和流量等。由于各水质处理厂的来源水质有较大的差异，在紫外消毒系统的设计中必须根据实际水质情况进行设计，如果生物验定法条件无法与实际水质相同，只能作为参考。
　　关键词：生物验定法　 紫外水消毒　 紫外C水消毒　　 紫外剂量　　 水消毒　 杀菌技术

　　在紫外的水体消毒中，消毒效果直接与紫外剂量的大小相关，对设计一个紫外消毒系统，人们必须测定系统的紫外剂量，细菌灭活率，进而推得所需灯管数。由于剂量等于强度乘紫外辐照时间(Dose=I×t)，辐照时间可以通过流量、过水截面和系统中紫外辐照区的长度来求得，但在消毒系统中由于所用的紫外灯数多，水中任一受点所受到的紫外辐照强度是周边各紫外灯辐照强度之和，计算复杂，且目前没有探测紫外系统中各点强度的仪器，消毒系统的紫外强度无法直接得知，因此剂量也就无法直接测量得到。为了能得到系统运行中的紫外剂量，人们研究出了用化学、生物学加上数学计算的方法来确定实际应用系统的紫外剂量。美国EPA的紫外设计手册中介绍的生物验定剂量法就是一种用于验定特定消毒系统紫外剂量的方法。

1．生物验定剂量法介绍

　　生物验定剂量法被认为是一种评估实际紫外消毒系统传递紫外剂量和强度的有效方法。整个过程包括：
　　（1）平行光剂量。用准平行紫外光束仪，验定在不同紫外剂量下受试菌体（或受试水体）的灭活率。首先用紫外强度计直接测量准平行紫外光束仪辐照窗口下的紫外强度，将受试菌种悬液放在辐照窗口下辐照一定的时间，得到一定的剂量，验定不同剂量对受试菌种（或受试水体）的灭活效果，最后得到灭活率-剂量曲线，该曲线用作换算真实紫外消毒系统验定的细菌灭活率对应的剂量，以便不同紫外消毒系统之间进行比较。
　　（2）真实紫外系统结构单元模块灭活率的验定。确定所要紫外消毒系统的灯管数，必须知道系统的剂量(或最低要求灭活率)，由于真实紫外系统中各点光强不同，很难测量剂量，但测量真实紫外系统的灭活率相对容易，因此可建造一个与实际系统结构相同的结构单元模块系统，进行灭活率实验，即验定紫外系统结构单元模块在不同流量，不同光强下的受试菌种的灭活率，再通过上述（1）中得到的灭活率-剂量曲线查得真实紫外系统灭活率对应的剂量（注意，对应的是平行光剂量），真实紫外系统灭活率（剂量）对应的流量用每灯每分钟多少升表示（lpm/灯）。
　　（3）确定灯管数。通过结构单元模块在所需剂量(或最低要求灭活率)下的流量（lpm/灯），求出所需紫外消毒系统在最大流量及相同剂量下的灯管数。
　　生物验定剂量法需要有大小合适的实验室，准平行紫外光束仪，紫外强度计，真实系统的结构单元模块系统，以及相应细菌检测手段等，一个高质量的测试分析结果需要多点采样及多次重复实验，确保准确性，这样做很麻烦，但很有价值。
　　受试菌种应是稳定，易于培养、鉴别，为紫外消毒所要杀灭的有代表性的目标微生物最好，其验定所得的灭活率-剂量曲线应是可重复和稳定可靠的。测试时所用的菌液应有足够的量，以便于所有的必要的剂量校准和测试工作都能在同一批的菌液中完成。

2．生物验定剂量过程介绍

（1）平行光剂量测试
　　灭活率-剂量曲线可在实验室用对受试菌种测试得到。图1给出准平行紫外光束仪(UV collimation apparatus) 说明图。该方法是把紫外灯封闭在一个筒体里，筒体中间开一个口，开口下方接一段管子作为辐照窗，窗的开口稍大于放样品的培养皿直径，窗口外装一块遮光板。辐照窗的作用是产生准平行紫外线，使得紫外线能垂直达到样品的表面，这样就能用紫外强度计准确测量紫外强度。

　　把培养的受试菌液用缓冲液稀释成约10⁷个/L菌悬液，测试时将菌悬液倒入9cm培养皿内，深度10 mm左右，辐照样品的平均紫外强度I 为：

　　I₀=样品表面紫外强度，由紫外强度计在辐照窗口下取不同位置平均值测得
　　α=样品的紫外消光系数
　　d=样品的深度 （10 mm 左右）
　　紫外辐照剂量:　Dose=I·t
　　t=辐照时间
　　改变辐照时间可得到不同的剂量。
　　辐照时把样品放在辐照窗口下的磁力搅拌器上，用微型搅拌子连续轻微的搅动，打开遮光板，辐照至所需的剂量，关闭遮光板，辐照后样品应及时检测分析。5～7个不同辐照剂量所得的结果用于灭活率-剂量曲线（见图2），每个剂量作三个重复。灭活率-剂量曲线的制作是将剂量Dose为横坐标，测试菌种的对数去处率logN/N₀为纵坐标，这条曲线作为剂量校准曲线用作以下生物验定校准单元模块的剂量。

（2）．验定消毒单元模块及实验步骤
　　生物验定消毒单元模块只考虑进出水的细菌数量，不考虑模块的结构，因此消毒单元模块的结构必须和实际水处理系统的设计相同，实际紫外消毒设备可看作测试单元模块单纯的几何放大。
　　以污水厂消毒工艺为开放水渠式紫外消毒系统设计为例，紫外灯采用顺水流正方形方式排布。在单元模块测试时，取一条实验水渠，渠内以4×4的距阵方式排布16支紫外灯，灯的间距与实际消毒系统一致，图3给出与实际紫外消毒系统灯管结构相同的单元模块结构。测试的流量范围应包括预期的峰值流量。此外，还要考虑其他影响因素，即模拟紫外灯用久后紫外输出下降的情况，一般考虑70%的额定紫外输出为老化后的紫外输出。用输出功率可调的紫外灯系统模拟灯老化后的实验。

　　水的透射率也可调节，使得百分比透射率与设计的预期条件一致。调节透射率可通过添加对254nm波长吸收强烈且不干扰测试的化学试剂，通常选用的是硫代硫酸钠。硫代硫酸钠以一定的速度注入进水管道使水体紫外透射率约为60%。菌悬液以同样的方式注入以产生需要的为10⁷个/L数量级的菌浓度。硫代硫酸钠和菌液进入管道后应充分混合，确保进入反应系统水体的均匀。
　　实验时分别测试不同流量的进出水的受试菌浓度，每个流量重复三次，每次采样后应及时进行菌浓度分析。以上过程结束后，把灯的紫外输出调至额定输出的70%，再重复上述实验过程，综合模拟灯老化以及其它各种影响消毒效果的因素(灯管老化后紫外输出降为80 %、石英套管结垢后亦可使紫外输出降为88%等，即总结果表示为旧灯因子0.7，以模拟旧灯管情况)。
　　由实验结果确定受试菌种的每一个流量的对数灭活率logN/N₀，根据对数灭活率-剂量曲线(图2)，求出每一个流量所对应的有效剂量，把结果作成剂量-流量关系图（见图4），流量以每支灯每分钟多少升（lpm/灯）表示。

(3)．消毒系统紫外灯管数确定
　　根据剂量-流量关系图可判断每支灯在不同流量下的消毒效果，为了保证系统在实际应用中的消毒效果，应考虑系统在峰值流量且灯老化后（寿命末尾）的运行效果，也就是说在灯管寿命末尾时达到消毒要求（<10⁴个/L）的最低期望剂量。
　　根据灭活率-剂量曲线得知，剂量为16mJ/cm²时，粪大肠菌的灭活率可达99.9%以上，如果进水10⁷个/L，满足出水<10⁴个/L的排放要求。从剂量-流量关系图查知，剂量16mJ/cm²时，老化灯管（70%光强）的流量是420 lpm/灯，据此推算出一个20万吨二级排放的污水厂紫外消毒系统所需紫外灯数（见表1）。

表1. 20万吨污水厂紫外灯管数确定

流量(m3/d)	2.0×105
高峰流量(m3/d)	2.6×105
SS (mg/L)	≤ 20
污水紫外透射率T254（%）	60
出水粪大肠菌(MPN/L)	10,000
最低要求紫外剂量(mJ/cm2)	16
紫外灯 (W)	260
每支灯处理水量（lpm/灯）	420
所需灯数（支）	430

　　由生物验定确定该污水厂的紫外消毒系统需紫外灯数约430支。

3．生物验定剂量法优缺点

　　生物验定法在工程招标和消毒设备的验证过程中是很有用的。其优点主要是能独立验定系统的设计，测试的结果是所有复杂因素都考虑进去的结果，例如，验定时通过调整紫外灯光强百分比输出，一次将许多因素同时考虑（如灯管老化系数0.8,结垢系数 0.8-0.9等），它可有效用于系统结构确定前的验定，也可用于比较不同测试单元模块的效果。生物验定方法的缺点主要是测试过程比较麻烦，每个污水厂，由于污水不一样，都要进行单独的测试，在现阶段，该方法只能作为非常规的测试手段和评估过程，不能作为标准，且不同实验室之间的结果在确认和系统测试上存在一定差异，用于推断选择系统结构上有局限性，只能用于系统结构设计后的验定。

4．使用生物验定剂量法需要注意的几个问题

（1）受试菌的选择
　　生物验定剂量法在受试菌选择上争议很大，但至少应满足下列条件：
　　a受试菌有效灭活率验定出的剂量应具有代表性，必须对其它致病菌也能有效杀灭。
　　b受试菌必须稳定，各地的菌种必须一致，不同实验室测出的结果必须相近。
　　c 操作上，经济上可行。
　　下列为美国NSF指定的作为紫外生物验定剂量的各种受试菌（饮用水）：
　　细菌类为：
　　枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）；
　　假单胞杆菌（Pseudomonas spp.）；
　　梭状芽孢杆菌（Clostridium perfringens）；
　　埃希氏大肠杆菌（Escherichia Coliform）
　　病毒类为：
　　MS2细菌噬菌体 (MS2 bacteriophage (surrogate))
　　除了上述以外，实践中已在采用粪大肠菌生物剂量验定,并已证明是可行的。粪大肠菌由于是一类菌，各地的都不一样，对相同灭活率，各地测出的剂量有一些差别，用其做生物验定剂量误差大，但它是具有很好代表性的菌种，且操作简便，经济可行，可通过采用现场的污水作验定实验，减少误差，如果是新污水厂，没有污水，可参照附近污水厂的生物验定及理论计算结果，但最终必须在污水厂建成后，再经现场污水确认。
（2）剂量
　　紫外剂量是指达到一定的细菌灭活率时，需要特定波长紫外线的量，无特别指明时，均指254nm的紫外C，单位：mJ/cm²，也用mws/ cm²表示。
　　由于各家设计紫外设备时考虑的重点不同，如流体混合，SS，透光率，水头损失等，灭活相同量细菌所需的剂量不同设计实际上是不一样的，但是只要细菌稳定，选择一样，各家的平行光剂量应是相近的。从理论上讲，测出实际紫外消毒系统的灭活率，然后查平行光的灭活率-剂量曲线得到的剂量应该是最小剂量，因为流体力学的限制，使得实际系统的流体混合无法达到平行光实验的程度，实际系统灭活率对应的剂量要比平行光实验得到的剂量为大，换句话说，平行光剂量对应的灭活率在实际系统相同剂量下是达不到的。
　 （3）污水排放标准
　　污水厂的污水排放标准只能供紫外系统设计时参考，不能作为确定灯管数的最终依据。生物验定剂量法是验定各个特定项目紫外消毒剂量，其结果没有普遍适用意义，最终必须用特定消毒项目污水厂的污水验定。否则，均为近似，无法确定结果。因为对污水来说，每个污水厂排放的污水质量如：菌类，254 nm透射率，COD组成，SS等，都不一样，因此设计书上要求的紫外剂量对不同的污水厂的污水存在不同的杀灭率，特别是各国污水厂的大肠杆菌群不一样，相同杀灭率需要不同的剂量，利用外国灭活率曲线的剂量套用国内的污水厂，其实际结果可能造成相当大的误差，一个污水厂的生物验定剂量套用于其它污水厂的起码条件是，污水厂的实际排放结果相似，否则，很可能造成消毒不达标。确定灯管数的最终依据是现场污水的验证实验。

（4）新建污水厂
　　还没有污水的新建污水厂可先采用理论公式计算法进行紫外消毒系统设计，得到不同流量下的理论剂量，后结合相同紫外消毒系统在类似污水的生物验定灭活率实验，最后在实际工程中，将根据现场污水检测结果对系统进行优化。当实际排放可能与设计的排放标准（主要指色度、透射率、SS等）偏差大时，尤为必要。
（5）抗负荷
　　污水的紫外消毒系统具有一定抗负荷（污水质量，流量）的能力，其条件是，实际污水排放指标与设计指标相差不大，因此在实际上，根据假设的设计参数设计的紫外消毒系统大部分都与实际结果相吻合。紫外消毒结果一般在设计要求值的中下左右，例如设计要求E.Coli ≤ 10,000 MPN/L，而实测一般在2000-3000 MPN/L。因此，水质的变化，灯管数变化或其它参数的小范围变化对杀菌效果影响不大。图5给出5万m³/天污水紫外消毒系统设计中灯管数对消毒效果的影响。从图5可见，当灯管数达到一定量后，350至500支的灯管数对系统消毒效果影响不大。

图5.污水紫外消毒系统中灯管数对消毒效果的影响

(5×10⁴ m³/d,T₂₅₄:60%,70W，SS: 20mg/l)

　

（6）紫外设计参数
　　紫外设计中需要的参数一般都是经验值的假设，紫外消毒系统设计中最重要的参数之一是污水在紫外254nm波长下的透射率。根据假设的污水透射率，紫外剂量等参数设计的紫外系统，在没有得到验证时，存在巨大风险，特别是国内市政污水，由于各地各种工业污水的排入，使得许多市政污水厂出水在紫外透射率上相差很大，不能只根据二级排放就将透射率定在60%左右，必须根据进水水质，处理工艺，结合现场排水情况决定。另外，紫外消毒对不同质量污水具有不同的大肠杆菌灭活率，且差别巨大，根据美国NSF建议，对非饮用直接排放的污水，低压汞灯设计剂量建议为16 mJ/cm²。但是，对中压汞灯，由于其含有在水中透射性很差的短波紫外（180-230nm），和长波紫外（紫外A、B）其设计剂量就要求高。
　　在我国目前污水厂紫外消毒系统招标中，有些污水厂由于大量工业污水的导入，使得排放的污水色度加深，但招标文件中的污水紫外透射率参数仍采用国外提供的数值，造成与国内污水实际情况差别很大，为将来紫外设备的运行达到消毒要求，留下了难以克服的障碍。

参考文献：

1. Design Manual Municipal Wastewater Disinfection. Office of Research and Development. EPA/625/1-86/021 October 1986, U.S. Environmental Protection Agency.
2. Kruithof, J. C, and R.C, van der Leer, 1990. Practical experiences with UV-disinfection in the Netherlands; Proceedings of the AWWA seminar on emerging technologies in practice, AWWA Annual Conference, June 17-21,Cincinnati, OH.
3. Lin, L. S, C. T. Johnston, and E. R. Blachley. 1999. Inorganic fouling at quartz: water interfaces in ultraviolet photoreactors I: chemical characterization. Water Research 33, no. 15:3321-3329.
4. Bolton, J. R.. and K. G. Linden. 2003. Standardization of Methods for Fluence (UV Dose) Determination in Bench-scale UV Experiments. ASCE Journal of Environmental Engineering 129,no. 3:209-215.
5. Bolton,J. R., M.I. Stefan, R.S. Cushing, and E. Mackey. 2001. The importance of water absorbance on the efficiency of ultraviolet disinfection reactors. Proceedings of the IUVA 1st International Congress, June 14-16, Washington, D.C.
6. Kashimada,K., N. Kamiko, K. Yamamoto,and S. Ohagki. 1996. Assessment of photoreactivation following ultraviolet light disinfection. Water Science & Technology 33, no. 10-11: 261-269.
7.Linden,K.G. and J.L. Darby. 1998. UV disinfection of marginal effluents: determining UV absorbance and subsequent estimation of UV intensity. Water Environment Research 70, no.2:214-223.
8. Sheriff,M. and R. Gehr. 2001. Laboratory investigation of inorganic fouling of low pressure UV disinfection lamps. Water Quality Research Journal of Canada 36,no 1: 71-92.
9. Wright,H.B. and Y.A. Lawryshyn. 2000. An assessment of the bioassay concept for UV reactor validation. Disinfection of Wastes in New Millenium, New Orleans, Louisiana, March 15-18,2000; Water Environment Federation, Alexandria, Virginia
10. Chang,J. C. H, S. F. Osoff, D, C, Lobe, M. H. Dorfman, C. M. Dumais, R.G. Qualls, and J. D. Johnson. 1985. UV inactivation of pathogenic and indicator microorganisms. Applied and Environmental Microbiology 49, no.6:1361-1365.
11. Qualls,R.G. and J.D. Johnson. 1983. Bioassay and dose measurement in UV disinfection. Applied and Environmental Microbiology 45,no.3:872-877.
12. Scheible,O.K. and C.D. Bassell. Ultraviolet Disinfection of a Secondary Wastewater Treatment Plant Effluent, EPA-600/2-81-152, NTIS No. PB81-2425-125, US EPA, Cincinnati, OH, 1981.
13. Severin,B.F. Disinfection of Municipsl Wastewater Effluents with Ultraviolet Light. JWPCF 52(7), 1980.
14. Qualls,R.G., Flynn, M.P. and J.D. Johnson. The Role of Suspended Solids in Ultraviolet Disinfection. JWPCF 55(10), 1983.
15. Haas,C.N. and G.P. Sakellaropoulos. Rational Analysis of UV Disinfection Reactors. Presented at ASCE National Conference of Environmental Engineers, San Francisco, CA, 1979.
16. Nehm,P.H. Operating Experience Disinfection Secondary Effluent with Pilot Scale Ultraviolet Units. In: Municipal Wastewater Disinfection Proceedings of Second National Symposium, Orlando, FL. EPA-600/9-83-009, NTIS No. PB83-263848, U.S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH, 1983.
17. White, S.C., Jernigan, E.B. and A.D. Venosa. A Study of Operational Ultraviolet Disinfection Equipment at Secondary Treatment Plants. Presented at the 58th Annual Conference, Water Pollutoion Control Federation, Kansas City, MO, 1985.
18. Scheible, O.K. Development of a Rationally Based Design Protocol for the Ultraviolet Light Disinfection Process. Presented at the 58th Annual Conferece, Water Pollution Control Federation, Kansas City, MO, 1985.