紫外线应用于水消毒工艺的理论研究的进展*

宋叶叶，张连峰，黄河洵，安 瑞，童张法

(1 深圳清华大学研究院生态与环境保护实验室，广东 深圳 518057；2 广西大学化学化工学院，广西 南宁 530004；3 深圳市水务(集团)有限公司，广东 深圳 518031；4 深圳城市污水处理与再生利用工程实验室，广东 深圳 518031)

1801年，德国物理学家Johann Wilhelm Ritter发现在人们视觉能够感受的光线之外仍有一种射线。由于这种射线位于可见紫色光之外，所以称为紫外线。在以后的200多年，科学家们对紫外线相关的理论不断研究和完善，同时紫外线也在很多领域，例如，水、空气消毒和净化、物体表面消毒、物体的表面处理等方面都得到了广泛的应用。随着紫外线技术的发展，紫外线领域内的一些专业概念变得模糊或发生了变化。例如，定量描述紫外线的紫外线强度(UV intensity)的概念是不明确的，需要用剂量率(fluence rate)和辐射照度(irradiance)取代[1-2]。

在以前的工作的基础上[2]、分析对比了各国、各国际组织的标准、准则、手册，论文、著作，进一步澄清了紫外线领域内一些关键概念。对紫外线辐射剂量的分布的数学表达进行了分析研究。

1 紫外线的定义和分类

在人类发现紫外线时，它是一种能看见的光线以外的射线，即，紫外线和可见光是泾渭分明的。但是，随着科学的进步，人们用波长定义了紫外线和可见光等概念。这时，“紫外线”，“可见光”都失去了字面的“紫线外侧”和“能看见的光”的严格意义，成为了定型了的专业名词。国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)把紫外线(ultraviolet)定义在100～400 nm，可见光定义在360～760 nm(Visible)，两者是有重叠的，人视觉可见的最短波长为360 nm[3]。

对于紫外线的波长范围的定义，各种文献中也不尽相同。表1是权威性的各种国内、国外、国际的标准中给出的紫外线的名词和概念定义。在这些标准中(关于各标准的发布、推荐机构，参见参考文献)，中华人民共和国环境保护部、国际标准化组织、世界卫生组织(World Health Organization, WHO)、世界气象组织(World Meteorological Organization，WMO)、联合国环境规划署(United Nations Environment Program, UNEP)、国际非电离辐射防护委员会(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection，ICNIRP)、以及国际著名紫外线学者Jim Bolton都采纳了相同的紫外线定义(100～400 nm)。但是中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会发布的GB/T 19837-2005《城市给排水紫外线消毒设备》[4]中采纳的定义是100～380 nm，美国疾病控制与预防中心的标准《CDC Guideline for Disinfection and Sterilization in Healthcare Facilities, 2008》[5]采纳的是210～380 nm。美国环境保护局在1986、2003、2006年分别给出了不同的定义：40～400 nm[6]，200～400 nm[7]，100～400 nm[8]。

表1 紫外线定义一览表

表2 ISO对电磁波的分类和定义[3]

目前，能见到的权威、全面地对紫外线进行定义的是国际标准化组织的SO/DIS 21348[3]。这个标准的定义有些特殊，容易引起概念混淆，见表2。根据表2的第一栏，光谱类别(Spectral category)，可以把Ultraviolet理解为10～400 nm；而根据表2的第二栏和最后一栏，ultraviolet=UV，波长为100～400 nm。除了表2，此标准在文字中有对紫外线的正式定义：100～400 nm的射线。因此，作为紫外线的定义，此标准是100～400 nm，名词是ultraviolet或UV。但是，在光谱类别(Spectral category)的大分类中，ultraviolet这一名词的波长延伸到了10 nm，此时不能使用名词UV。Ultraviolet的意义是模糊的，有时代表10～400 nm波长的射线，有时代表100～400 nm波长的射线；而UV明确、严格地只代表100～400 nm波长的射线，即，UV不是ultraviolet的缩写。

真空紫外线(Vacuum Ultraviolet)的定义很特殊，10～200 nm。但光谱类别(Spectral category)又在“Ultraviolet”范围内，而此标准在文字中对“Ultraviolet”的正式定义是100～400 nm的射线。这很容易引起Vacuum ultraviolet(真空紫外线)是不是Ultraviolet的概念不清。清晰的名词是UV，确定的代表100～400 nm，因此，Vacuum ultraviolet不是UV，也不隶属于UV。

根据中文文献和我国行业标准HJ2522-2012[9]，本文作者认为紫外线的波长应采纳100～400 nm，而真空紫外线的波长是10～200 nm(国际标准化组织的定义)，因此，中文的“紫外线”和“真空紫外线”两个名词所表达的概念是相互独立、互不隶属、实质重叠的关系。

在SO/DIS 21348[3]的光谱分类中，Visible、Vis是不同的概念，由于后者被注释为了Optical，在用英文表达时概念上很清晰，见表2。当翻译成中文时，容易将Visible和Vis等同起来，认为后者是前者的缩写，译成可见光，从而诱发了最短可见光的波长到底是360 nm还是380 nm的争论和混乱。

世界卫生组织、世界气象组织、联合国环境规划署、国际非电离辐射防护委员会联合推荐的《Global Solar UV Index-A Practical Guide》[10]对UV、UVA、UVB、UVAC的分类进行了定义和解释，和国际标准化组织的分类一致：100～400 nm，315～400 nm，280～315 nm，100～280 nm[10]。

表3 Jim Bolton对辐射光谱的分类和定义[11]

表4 本文建议的重要紫外线概念的定义一览表

*列于此，供参考对比，非本文建议的定义。

世界著名紫外线学者Jim Bolton对辐射光谱分类的解释和以上不一致，见表3[11]。本文作者和Jim Bolton就此进行了交流。他认为在文献中相关定义并没有统一，他给出的分类是基于文献中最常用的定义。他的定义和分类与美国环境保护局发布的紫外线消毒指南《USEPA UV Disinfection Guidance Manual，2006》[8]采纳的定义和分类相一致。本文作者倾向于优先采纳具有权威性的国际标准化组织推荐的定义(SO/DIS 21348[3])，见表4。必须注意，中文名词“紫外线”和“可见光”涵盖了两个不同的定义，表中带星号的为本文不建议使用的定义。对于可见光的定义，目前文献中使用最广的定义是400～700 nm[11]。

2 紫外线的定量描述

2.1 辐射照度(irradiance)

从上部进入包含被照射点的无限小的面的总入射功率除以这个无限小的面的面积，单位是W·m-2，见图1。

图1 辐照强度的概念[12]

2.2 剂量率(fluence rate)

从各个方向进入包含被照射点的无限小的球的总入射功率除以这个无限小的球的截面积，单位是W·m-2，见图2。

图2 剂量率的概念[12]

2.3 紫外线强度(UV intensity)

紫外线强度是在剂量率和辐射照度出现以前使用的描述紫外线的计量单位，它模糊地涵盖了应该由剂量率和辐射强度两个概念表达的内容。在进行准确、深入分析辐射场时，会出现问题。目前，在一定的环境下，这个名词仍在口语中使用。但在严谨描述紫外线时，应该使用剂量率和辐射照度。

3 紫外线辐射场计算的两个误区

紫外线辐射场计算的讨论可参见文献[2]。这里讨论紫外线计算领域内的两个误区。

3.1 关于在中文网上流传的一个辐射计算方法

图3 紫外线灯的排列方式[6]

图4 不同排列方式在吸收系数为0.4/cm时的计算结果[6]

在国内，中文网上流传着一个辐射计算方法，并且有紫外线厂家以此计算方法向客户推荐紫外线反应器。这个方法自述是美国环保局的“污水消毒设计手册”(原始英文文件见文献[6])上的方法。本文作者对文献[6]进行了深入调查。1986年，美国环境保护局推荐了一套用紫外线密度进行紫外线反应器设计的方法[6]。它将紫外线灯在紫外线反应器内的排列方式分为4类，对每一种排列方式下的紫外线密度、平均紫外线强度、水体的紫外线吸收系数建立关系曲线。然后，依据这些关系曲线计算设计紫外线反应器的平均紫外线强度。只定义和提供4种排列方式的计算曲线，计算精度较低。例如，见图3 和图4[6]，同为方形排列的均一排列(uniform)和错位排列(Staggered)，从图上读数估计，相差在30%～40%。观察这两种排列方式，显然30%～40%夸大了两者间的差距，即，此计算方法有很大的计算误差。事实上，早在2004年就有学者基于研究和实际工程应用经验，给出了此方法不可靠的结论[13]。

3.2 关于UVDis

在GBT19837-2005《城市给排水紫外线消毒设备》有这样的描述：“由于这一剂量常用UVDis计算软件计算得到，因此有时也称UVDis剂量”。本文作者进行了深入调查。UVDis是根据文献[6]编制的一个计算软件，1992年出了UVDis 3.1，以后再没有更新。UVDis 3.1的软件供应商是HydroQual, Inc.[14]，现这家公司已经不存在，并购到了HDR, Inc.[15]。本文作者电邮HDR, inc.询问，得到了回复：“那个软件是多年前开发的，我们不再与它有关系，也不对它承担任何责任。所有与这个软件相关的人都已经离职或退休”。因此，UVDis 3.1是一个27年前出版，已经无人负责的软件。而且，如前文所述，文献[6]是30年前的计算方法,自身有很多不足，参见文献[2]。

4 辐射剂量分布的表达

水体经过紫外线消毒反应器后，受到的辐射剂量不是均匀的。为了准确掌控紫外线反应器的性能，需要了解辐射剂量分布。目前的文献中[8,16-17]，在表达辐射剂量分布时，都是用辐射剂量作横坐标，“出现概率/频率”(Occurrence probability、Probability、Frequency)作为纵坐标。见图5，实测时，测量的是各个小辐射剂量区间内的出现概率，如图5(a)所示，每个辐射剂量区间用一个方框表示。这种表达方式是很清晰的(例如，参考文献[8]的Figure 2.7)，但是，如果把这种方框图近似为一条连续曲线(参考文献[8]的Figure D.1、D.2)是有问题的，以下以两个例子说明这样的连续曲线在数学上是错误的：

图5 剂量分布的表达方式辐射剂量

例1见图5(b)、图5(c)。例如，表5是一组辐射剂量分布数据，当希望得到连续曲线时(参见图5(b))，就需要把方框的辐射剂量区间减小、细分。假设表5中各区间内(1～2、2～3、3～4 mJ/cm2)的辐射剂量是均匀分布，将剂量区间细分为原区间宽度的一半，则表5也可表达为表6。但是，分别用表5和表6做图，则得到不同的分布图，见图6和图7。

表5 辐射剂量分布数据

图6 辐射剂量分布图

表6 辐射剂量分布数据

图7 辐射剂量分布图

例子2参见图5(c)，在曲线下方的横坐标上不包括曲线两端的两点内任取取一个点，都对应有一个非0的出现概率数值。那么对于点In(n=1，2，…,m)，出现概率是Pn，则出现概率的总合为P=P1+P2+P3+……Pm。因为是一条连续曲线，m可以是无限制的增大，P>1成为可能，这在数学上显然是错误的。

在连续曲线上出现这种数学错误的原因是纵坐标不应该用概率的概念，应该用概率密度的概念来表达，即，剂量分布曲线应该引入概率密度的概念进行表达：

(1)

(2)

各符号的数学含义和在应用于紫外线剂量分布时的含义见表7。从表7可以看出，出现概率P[a

(1)区间[a

(2)在区间[-∞

(3)紫外线测量和计量时，一般得到的是一个小区间的紫外线剂量出现的概率，将出现概率除以这个区间就是相应的这个小区间中心点的概率密度。然后做紫外线剂量-概率密度图，就是相应的紫外线剂量分布图。

表7 公式(1)和(2)中各符号含义

5 结 语

本文讨论了在紫外线水消毒应用领域内的一些关键的概念、理论和最新的研究成果。重点讨论了以下几个方面：

(1)分析对比了各国、各国际组织标准、准则。由于这些标准、准则之间或自身在一些基本概念上有不同或模糊之处，导致在紫外线领域一些概念不清晰。本文在这方面进行了分析、讨论和澄清。

(2)讨论了国内紫外线领域内，在辐射场计算方面的误区。

(3)指出了现有的表达紫外线辐射剂量分布的方法在数学上的不合理性，提出紫外线辐射剂量分布用概率密度的概念进行表达的方法。