水处理与环境技术中的紫外辐射

紫外辐射在水处理与环境技术中用于三项不同的任务：微生物灭活、直接光解和高级氧化工艺。这些工艺遵循不同的机理，需要不同形式的验证。决定设计的因素是紫外透过率、吸收光谱、水化学性质、反应时间以及处理点可用的辐照。本页按目标物质、工艺变量和适用的监测方式对这些工艺进行了分类。

波长约200～300 nm的紫外辐射会被核酸强烈吸收，并通过光化学作用在目标微生物体内使其失活。包括剂量-响应关系在内的完整作用原理，请参见紫外线消毒的作用原理。

在水处理技术中，还涉及另外两种机理：直接光解，即目标化合物自身吸收辐射并发生分解；以及高级氧化工艺，即辐射产生活性物种——尤其是羟基自由基——来实现降解。这三项任务在目标量、设计方案和验证方式上各不相同：

在废水处理领域，欧盟《城市废水处理指令》（Directive (EU) 2024/3019）直接影响工艺选择：该指令要求较大型处理厂分阶段增设第四处理级，用于去除微量污染物，并将臭氧结合UV、过氧化氢结合UV以及TiO2结合UV列为适用工艺之一。除去除病原体外，现在还需针对指示物质提供有据可查的降解性能——具体期限和阈值请参见紫外工艺相关法规要求。

不同的辐射源分别服务于上述三种机理，它们在光谱、电效率和运行特性方面存在显著差异。

对于高级氧化工艺和光催化工艺，波长还必须与氧化剂或半导体的吸收范围相匹配：过氧化氢在 UV-C 和 UV-B 波段吸收，而具有光催化活性的半导体（如二氧化钛）主要在 365 nm 附近的 UV-A 波段被激发——相关背景请参见光催化：机理、材料与计量。

• 辐照量或紫外剂量（mJ/cm² 或 J/m²）：辐照度与停留时间的乘积决定了所实现的灭活或降解效果。这才是实际的有效量，而非灯管的电功率。
• 辐照度（mW/cm²）：该参数描述了特定位置每单位面积的光子功率，并会因与光源的距离及局部吸收情况的不同而在反应器内产生很大差异。
• 紫外透过率（UVT，通常在 254 nm 下测定，以 1 cm 或 10 mm 光程为参照）：该参数决定了辐射随光程增加而衰减的速度，因此必须直接纳入反应器容积内平均辐照量的计算中。
• 水力停留时间分布：在连续流反应器中，并非每一份水都获得相同的停留时间；短流会导致部分水流剂量不足，即使平均停留时间看似充分。
• 浊度与颗粒物含量：颗粒物可能包裹或附着微生物，从而屏蔽其免受辐射影响，而这与整体水样测得的紫外透过率无关。
• 溶解性有机碳、碱度、硝酸盐、卤化物：在高级氧化工艺（AOP）中，这些参数会充当自由基清除剂或竞争性吸收物，从而改变可利用的自由基产率，而与所输送的光子剂量无关。
• 温度与 pH 值：两者均会影响光解与氧化的反应动力学，以及微生物受辐照后的生理修复机制。

灯的电功率并不等同于光学剂量。从电输入功率到实际到达介质的有效辐射之间，存在多个转换环节：光源的光电转换效率、对相关效应范围的光谱加权、向反应器体积内的几何耦合，以及介质本身的吸收。因此，将灯功率提高一倍，并不一定能使灭活效果提高一倍。

如果辐照度在工艺过程中并非恒定不变，那么仅有时间值也是不够的。灯管老化、石英套管结垢以及水体浊度的变化，都会改变实际存在的辐照度，因此运行中相同的照射时间在调试时所产生的剂量会有所不同。

浊度和颗粒结合作用常常被低估。针对与针铁矿结合的细菌细胞所做的研究表明，1至50 NTU之间的浊度值就已经能够对紫外灭活产生可测量的保护效应，因为颗粒会屏蔽微生物，而清水部分测得的UVT值却不会相应发生变化。因此，具有代表性的UVT测量结果，并不一定能反映在含颗粒介质中实际有效的剂量。

并非所有目标微生物对相同辐照量都表现出相同的敏感性。腺病毒因其双链DNA可通过宿主细胞再活化进行修复，被认为对单色254 nm辐射具有相对较强的抗性；多色中压辐射在相同的254 nm当量剂量下，往往能实现更高的灭活效果，因为其他波长会触发其他损伤机制。因此，针对大肠杆菌验证过的剂量，若未经验证，不能直接应用于其他目标微生物。

辐照后灭活效果并不一定是永久性的。部分细菌携带光复活酶，在随后暴露于可见光或UV-A光时，能够修复紫外线诱导的DNA损伤（光复活作用）；此外还存在不依赖光的暗修复机制。中压辐射对光复活酶活性的降低作用，比单色低压辐射更强，推测是通过氧化该酶的黄素辅因子实现的——这一效应在为后续会暴露于光照的应用选择光源时具有重要意义。

最后，互易律（本森-罗斯科定律）认为相同的光化学效应由辐照度与时间的乘积决定，但该定律在生物系统中仅在有限程度上成立。在极低剂量率下，生理性反向调节可部分补偿该效应；在极高或极低辐照度下，也观察到与简单的时间-强度等效关系存在偏差。对于许多在常规运行范围内的紫外水处理技术应用而言，互易律大致成立，这一点得到了太阳能水消毒研究的支持，该研究表明在一定强度范围内灭活率相当（MDPI Water, 2024）；但不应未经核实就将其套用于极端运行条件或所有微生物。

辐射在水中的衰减遵循朗伯-比尔定律，并且与波长有关：短波成分通常比长波成分被更强烈地吸收。因此，在反应器壁处测得的宽带辐照度并不能描述在介质更深处到达的光谱——多色光源在吸收性介质内实际上会变成另一种光谱发生偏移的光源。对于机理与波长相关的工艺（例如UV-C波段过氧化氢的光解与UV-A波段二氧化钛的激发相比），实际可利用的效果会随反应器深度而变化。

此外，反应器几何形状决定了在多大比例的体积内能够达到足够的辐照通量率。环形间隙反应器、具有多排灯管的通道式反应器以及具有反射内表面的反应器，在安装相同灯管功率的情况下会产生不同的辐照通量率分布。灯管周围的石英套管可减少与水的直接接触，但由于污垢积聚（水垢、铁质或生物膜沉积），会导致透光率随运行时间逐渐下降，且这种与波长相关的损失若无持续监测，往往难以察觉。

单个光子的能量由 E = h · c / λ 得出，其中 h 为普朗克常数，c 为光速，λ 为波长。在 254 nm 处，该能量约为 4.88 eV，相当于每摩尔光子约 471 kJ/mol。此能量明显超过过氧化氢的 O–O 键解离能（文献中最常引用的数值约为 210 kJ/mol），因此单个被吸收的 254 nm 光子即足以将 H₂O₂ 均裂为两个羟基自由基——这正是 UV/H₂O₂ 高级氧化工艺的基础。

在用于校准杀菌波段紫外光源方面，基于碘化钾和碘酸钾的化学计量法已成为公认方法（Rahn，《光化学与光生物学》，1997年）。该反应在 254 nm 下的量子产率约为 0.75 ± 0.03，并可根据碘离子浓度和温度进行修正；该溶液几乎完全吸收低于 290 nm 的所有波长，而在高于 330 nm 时呈光学透明，因此非常适合用于测定低压水银光源的入射辐照量，其发射光谱中超过 85% 集中在 254 nm。在实践中，化学计量法测量可作为对物理辐射计读数的独立校验，因为它通过已知反应捕获光化学有效辐照量，而非依赖已校准的传感器响应。

在监管实践中，紫外反应器的实际处理效果并非单纯通过辐照度与停留时间计算得出，而是通过等效还原剂量（RED）加以验证：将一种剂量-响应关系已知、并在实验室反应器中经过校准的替代微生物通入待测反应器中，再根据实测的灭活效果反推出该反应器内的有效辐照量。这种方法能够隐含地考虑真实的辐照率分布、短流路径及几何效应，而纯计算估算无法捕捉这些因素。为此所需的替代微生物剂量-响应校准，需在辐照箱中的规定样品几何条件下进行，并采用基于剂量而非基于时间的曝光终止方式，例如通过 UV-MAT 实现。

1. 假设条件。反应器横截面的光学路径长度为10 cm，水流经该横截面，其每厘米紫外透射率为90%（UVT₁cm = 0.90，波长254 nm）。在进水侧的辐照度为10 mW/cm²。所需辐照量为40 mJ/cm²（相当于400 J/m²，即德国对经认证的饮用水紫外线消毒设备所要求的最低值，以254 nm下枯草杆菌为参照）。

2. 模型。十进制吸收系数由 a = −lg(T) / 1 cm = 0.0458 cm⁻¹ 求得。沿路径长度L的平均辐照度可通过对朗伯-比尔定律积分得出：Ē = E₀ · (1 − 10^(−a·L)) / (a · L · ln 10)。

3. 计算。由a·L = 0.458，得10^(−a·L) = 0.348；因此Ē = 10 mW/cm² · (1 − 0.348) / (0.458 · 2.303) ≈ 6.2 mW/cm²。达到目标辐照量所需的辐照时间为t = 40 mJ/cm² / 6.2 mW/cm² ≈ 6.5 s。

4. 结果。如果计算时改用进水侧的10 mW/cm²而不考虑吸收，则会得出仅为4 s的（过短的）辐照时间。此时，横截面上实际达到的平均辐照量仅约为25 mJ/cm²——比所需值低约38%。

5. 技术解读。该实例说明了为何仅在进水侧测得的辐照度，若不了解UVT和光学路径长度，就会导致对有效剂量的系统性高估。在实际应用中，该风险通过基于UVT的剂量调控以及基于RED的验证来限制，而非依靠一次性的计算设计。

介质的紫外透过率可双向换算：测得的透过率可得出吸光度，反之亦然。当光路中存在多层介质或窗口时，其透过率相乘。详情请参见透过率与光密度计算器。

公共饮用水供应：紫外消毒可作为化学处理工艺的补充，或与残留消毒剂结合使用以替代化学工艺，因为它无需添加化学品即可发挥作用，并且对抗氯性原生动物（如隐孢子虫和贾第虫）同样有效。此处的关键在于在整个运行过程中（包括灯管老化和污染的情况下）持续满足各国法规要求的最低剂量。

市政污水处理与第四级处理：除了传统的出水消毒外，紫外线与过氧化氢或臭氧结合的工艺作为欧盟《城市污水处理指令》所要求的微污染物去除的重要组成部分，其重要性正日益提升。此处的关键并非单纯的灭活剂量，而是在真实的、含有机负荷的水质基质下，参照特定指示物质实测浓度削减而确定的AOP辐照量。

水回用：在将净化后的污水处理为灌溉用水或工艺用水时，紫外线通常与氯或过氧化物（UV/Cl₂、UV/H₂O₂）结合使用，以同时满足微生物和化学方面的要求。由于这些水质基质的UVT波动更大且普遍偏低，因此持续的透射率监测显得尤为重要。

工业用水（半导体制造、制药、食品和饮料）：在超纯水处理中，185 nm紫外线还用于总有机碳的光化学分解，而254 nm紫外线则以微生物控制为主要目标。此处的关键在于对允许的残留菌落数和微量有机物有严格的规范要求，因此所需的工艺控制远比市政供水更为严格。

游泳池与休闲水域：紫外线通过降低所需的过量加氯来减少氯化副产物的生成；相关的工艺参数是紫外剂量与残留消毒剂浓度的组合，而非单纯的紫外剂量。

水产养殖与压载水处理：这两种应用都需要在因有机负荷和盐度导致的、波动剧烈且通常偏低的UVT条件下实现高流量处理；国际《压载水管理公约》（IMO Ballast Water Management Convention）等法规要求证明不同粒径级别生物的特定削减率，因此需要针对具体应用进行生物学验证，而非仅进行纯物理剂量计算。

对于UVT值远低于80%的强浑浊或有色介质，传统的设计计算方法已达到极限，因为有效光路长度大幅缩短，即使微小的浑浊度波动也会使有效剂量产生不成比例的变化；此时通常采用更短的反应器截面、更高的安装功率密度以及密集的UVT监测。对于流量强烈间歇变化或流量极低的处理设施，UV-LED系统相较于水银灯具有优势，因为水银灯通常需要预热阶段，且在频繁开关时老化更快，而UV-LED则可即时启用、无需预热时间；但必须确保在运行间歇期间不会有未经辐照的水绕过反应器。在流量极高的场合，例如压舱水处理中，通常会采用多个并联或串联的中压灯反应器单元，以在停留时间较短的情况下达到所需的辐照量。对于与表面及薄膜相关的特殊应用，越来越多地研究采用波长约为222 nm的远紫外（far-UVC）准分子光源；其浅穿透深度对于水中大体积应用而言大多不利，但可专门用于薄膜或表面处理。

任何测量任务的出发点都是：工艺评估实际需要哪个物理量。在反应器的设计与调试阶段，需要在流动截面上多个具有代表性的位置测量经杀菌或光解作用范围加权的辐照度，而不是仅在反应器壁上的单一测量点进行测量。在持续运行期间，还必须连续记录流动介质的紫外透过率，因为它会随原水水质和预处理而变化。

当光源的光谱特性已知且稳定时，例如单色低压灯，并且在运行周期内不会出现光谱漂移，宽波段测量即已足够。一旦使用多色光源（中压灯）、峰值波长因制造商而异且存在散射的紫外LED，或采用具有特定波长机制的工艺（AOP、光催化），或需要记录灯管寿命期间的光谱变化时，就必须进行光谱测量。ISO 15839中对在线水质传感器的要求（包括响应时间、线性度和重复性）作出了基本规定，该标准也为紫外专用传感器测试提供了框架（ISO 15839）。关于按光谱范围和测量几何形状选择紫外传感器的概述，以及紫外传感器内部工作原理的说明，均有助于这一决策。

在较大型的装置中，辐照度不再仅通过抽样点检的方式核查，而是持续集成到装置控制系统中。剂量追踪控制会根据实测的紫外透过率和辐照度，实时调整灯功率或流量，从而在水的透过率下降时自动提高安装功率或降低流量，以维持所需的最低剂量。这种方式取代了以往常见的针对最不利运行工况的静态设计，改为根据实际状态进行动态控制，既降低了剂量不足的风险，也降低了平均能量输入。

与安全相关的是将传感器数值与报警及停机逻辑相连接：若测得的辐照度低于设定阈值，装置必须自动阻断受影响的水流或切换至安全运行模式，这一原则见于DVGW W 294-1技术规范等标准中（DVGW W 294-1技术规范）。数字式传感器接口还可将校准状态和传感器型号传输至控制系统，从而使未被察觉的传感器漂移或超期的校准周期被识别为独立的故障原因，而不是被误判为工艺偏差。这种反馈是预测性维护理念的前提条件，在该理念下，灯管更换和石英套管清洁是根据实测的性能下降情况来规划的，而不是按固定周期进行。

在实验室和工艺应用中，配备与相应工艺相匹配的传感器的辐射计适用于这些任务，例如RMD Pro。若需要表征多色光源，或跟踪灯管寿命期间的光谱变化，则适合使用覆盖200到1100 nm的光谱辐射计，例如SR900。在技术装置中，永久安装的数字式传感器（如PLC.D）负责持续监测，并在提供测量值的同时，将传感器型号和校准状态一并报告给装置控制系统。

随着紫外LED的峰值波长可自由选择，仅以254 nm为基准的评估已不再具有普遍适用性。因此，国际紫外线协会（International Ultraviolet Association）提出的一项经同行评审的框架建议，不再仅以254 nm作为消毒基准，而应使用经杀菌加权的传感器，并特别针对间歇运行工况，检查在开机延迟期间未受辐照的水是否可能通过反应器（IUVA Task Force, 2023）。

在水和环境技术这一主题下，文献检索工具目前列出了20多篇论文。以下六篇说明了光解和高级氧化工艺在实际应用中的关键要点：基质效应、反应器设计，以及处理后水中残留物质的评估。

一项关于TiO₂涂层微滤膜的研究以类固醇激素为例，说明了有机背景负荷对光催化降解速率的显著抑制作用。

Influence of organic matter on the photocatalytic degradation of steroid hormones by TiO2-coated polyethersulfone microfiltration membrane. Liu, Siqi, Pattabhiramayya C. Edara, and Andrea I. Schäfer. Water Research 245 (2023): 120438. ScienceDirect

一项比较研究将同一活性化合物的吸附、光解和高级氧化过程并列对比，并对反应动力学和反应路径进行了分类。

The fate of aqueous betrixaban during adsorption, photolysis, and advanced oxidation: Removal, kinetics, and reaction mechanisms. Jasemizad, Tahereh, Lev Bromberg, and Lokesh P. Padhye. Journal of Water Process Engineering 44 (2021): 102430. ScienceDirect

两篇关于三环类抗抑郁药的论文专门研究了光转化产物及其对pH值、浓度和温度的依赖性，以及其生物可降解性和毒性。

Initial fate assessment of teratogenic drug trimipramine and its photo-transformation products – Role of pH, concentration and temperature. Khaleel, Nareman DH, et al. Water Research 108 (2017): 197–211. ScienceDirect

UV-photodegradation of desipramine: impact of concentration, pH and temperature on formation of products including their biodegradability and toxicity. Khaleel, Nareman DH, et al. Science of The Total Environment 566 (2016): 826–840. ScienceDirect

一篇关于连续流动结构化反应器的论文描述了在流动条件下光化学分解溶解污染物的一种反应器类型。

A new continuous flow-through structured reactor for the photodegradation of aqueous contaminants. Fernandez-Perez, Amparo, et al. Journal of Environmental Chemical Engineering 6.4 (2018): 4070–4077. ScienceDirect

一项关于去除某种细胞毒性药物的研究将高级氧化与后续的好氧生物可降解性和毒性测试相结合，表明仅初始浓度的下降并不是充分的评估标准。

Removal of the anti-cancer drug methotrexate from water by advanced oxidation processes: Aerobic biodegradation and toxicity studies after treatment. Lutterbeck, Carlos Alexandre, et al. Chemosphere 141 (2015): 290–296. ScienceDirect

按主题划分的更多应用案例，请参见总览页面客户发表的研究成果——按主题分类。

• DVGW德国燃气和水工业技术科学协会，技术规范W 294-1（2023年12月）：供水系统中紫外线消毒设备的规划、运行与监测。 DVGW
• DIN EN 14897 / DIN 19294-1：分别针对建筑内饮用水消毒和集中式水处理用紫外线设备的标准。DIN Media
• 美国环境保护局，《长期2强化地表水处理最终规则紫外线消毒指南手册》（2006年）。US EPA
• 国际标准化组织，ISO 15839:2003（EN ISO 15839:2006）：水质——水用在线传感器/分析设备——规格与性能测试。 ISO
• 国际紫外线协会（IUVA）工作组，《紫外发光二极管（UV-LED）水消毒系统性能测定的考量因素》，Water Environment Research第95卷（2023年）。PubMed
• 欧洲议会与欧盟理事会，关于城市废水处理的（EU）2024/3019号指令（重订版），尤其是关于第四处理阶段的第8条。EUR-Lex
• 关于各国及各类灯具适用紫外线法规的完整概览，请参见紫外线相关指南、标准与规范。

紫外线消毒在水中是如何发挥物理作用的？
波长约254 nm的紫外辐射会被微生物中的核酸吸收，并在其中产生光产物，主要是嘧啶二聚体，从而阻止复制和转录。微生物因此丧失繁殖能力而被灭活，而非发生化学分解。起决定作用的是所吸收的总辐照量，而不仅仅是照射时间。

饮用水消毒需要多大的紫外剂量？
在德国，经批准的紫外装置必须达到最低消毒性能400 J/m²（40 mJ/cm²），该值以254 nm下对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的作用为基准。在国际上，相关要求通常依据针对隐孢子虫、贾第虫和病毒的等效还原剂量（Reduction Equivalent Dose），其数值因目标微生物和所需对数减少量而异。

紫外线消毒与高级氧化工艺有何区别？
在消毒过程中，辐射直接作用于目标微生物的核酸。而在高级氧化工艺中，还需光解另一种氧化剂，例如过氧化氢，从而产生羟基自由基，对溶解的有机物进行非选择性氧化。两种工艺使用相同的辐射源，但作用机理和目标量不同。

为什么灯管的电功率不足以作为消毒性能的衡量指标？
在电功率与有效辐照量之间，还涉及光源的光电转换效率、针对目标机理的光谱可利用性，以及介质中的吸收。这些转换环节并非恒定不变，会随灯管老化、污染和水质变化而改变，因此相同的电功率可能对应不同的实际剂量。关于功率参数为何在原则上不属于测量量的详细说明，见辐射度量学量。

在流通式反应器中如何验证紫外剂量？
通过生物剂量测定法：等效还原辐照量是根据对测试微生物实际达到的灭活效果推导出来的，而非通过计算得出。不同规则体系分别要求何种证明，以及传感器安装位置在其中起何作用，详见紫外反应器验证。

浑浊度在紫外线消毒中起什么作用？
颗粒物可能包裹微生物或附着在其表面，从而对其起到遮蔽辐射的作用。这种效应在浑浊度处于两位数低段NTU范围时便可能已具有显著影响，且无法通过在清水样品上测得的UVT完全反映出来。

紫外LED是否已经能够替代汞蒸气灯？
对于小型、间歇运行的系统，紫外LED凭借瞬时可用性和不含汞的特点具有优势。但在电效率方面，其仍落后于经典低压灯管（后者约为35%），历史上紫外LED仅为1%至6%，不过较新且经独立验证的器件已超过10%。因此，对于大容量市政处理设施，目前在多数情况下汞灯仍是更为经济的选择。

如何在设施中持续监测紫外线强度？
永久安装的传感器持续记录辐照度，并在相关情况下记录水的紫外透过率。若数值低于设定阈值，自动报警和停机逻辑将触发安全运行模式。数字化传感器接口还会将校准状态和传感器类型传输给控制系统，以区分传感器漂移与真实的工艺偏差。

在水消毒系统中如何测量UVC？
使用内置于反应器中的设备辐射计，在反应器壁上的某一确定点测量辐照度；结合流量和水的紫外透过率，由此计算出辐照量。传感器必须耐压、对可见光不敏感（solar-blind），并针对所使用的灯管类型进行校准。设备和基准辐射计的要求分别规定在DIN 19294-1和-3（低压灯）以及DIN 19294-2和-4（中压灯）中；DVGW W 294-1:2023-12目前仅涉及规划、运行和监测，不再包含设备要求。在奥地利，适用ÖNORM M 5873-1和-2。运行用辐射计需定期与基准辐射计进行比对校验；此外还需测量254 nm处的紫外透过率，因为该值直接参与辐照量的计算。

该应用与光学辐射计量学的相邻领域在技术上密切相关——例如紫外消毒（在水基质之外具有相同的机理，如用于空气和表面消毒）、光催化（共享反应器原理、半导体物理学和自由基化学）以及光催化制氢（相同的界面化学，但目标反应不同）。光解和紫外氧化过程的光化学基础在光化学部分中阐述。specifically针对饮用水，剂量背后的验证体系——DIN 19294、ÖNORM M 5873、美国环保署（US EPA）指南手册以及NSF/ANSI 55——在紫外水处理部分中进行了比较。

在反应器壁处测得的辐照度与整个流动体积内实际有效的剂量之间，涉及紫外透过率、停留时间分布以及光源的光谱组成。若您希望针对特定应用、水质或反应器几何形状对这些关系进行可靠评估——从使用SR900进行光谱表征，到使用RMD Pro进行符合标准的基准测量——均可联系Opsytec的校准实验室及应用工程团队。欢迎您就贵司的装置或测试任务与我们联系。