紫外线消毒设备剂量认定方法、验证标准及现状
1、主要的紫外线消毒效果认定方法
目前，认定紫外设备消毒性能，即其投射的紫外线剂量的方法主要有以下几种：计算模型法、化学法、生物法、荧光微球法、紫外线强度监控法。
1.1、计算模型法
计算模型法是理论方法，包括紫外线强度分布模型和计算流体力学模型。其中，紫外线强度模型是基于光学和几何学原理，通过计算紫外线在反应器中的辐照情况，获得紫外线强度分布模型，从而推算紫外线剂量。常见的紫外线强度分布模型有MPSS、MSSS、LSI、RAD-LSI和DO。
1970年，Jacob和Dranoff开发了MPSS模型，将线光源等分成n段相等的点光源，采用多点源叠加的方法计算反应器接收到的紫外线强度。1997年，Blatchley在MPSS基础上提出LSI模型，该模型不考虑紫外线在传播介质中的吸收，改进了MPSS模型有限个点的限制，将MPSS模型中的点光源个数趋近于无穷，简化计算。2000年，James R Boltan提出MSSS模型，采取分段等分的方式，将光源等分成若干个圆柱形立体光源，再采用多段叠加的方式计算接收点的光强，是MPSS模型的扩展，且MSSS模型除了考虑介质对紫外线的吸收作用外，还增加了反射和折射的影响。RAD-LSI模型是LSI模型的改良，将近灯管区域部分采用线光源的模型计算紫外线强度。DO模型是求解热辐射的方法，考虑热量通过各介质时的吸收与分散作用，应用有限。针对紫外线强度分布模型，市场上开发了计算软件，常见的有UV Calc软件（James R Boltan开发）和UVDIS软件（美国EPA开发）等。其中，很多紫外设备厂家使用UVDIS软件，用这个软件计算出来的紫外线剂量也叫UVDIS剂量，它实际上是基于紫外线光强均匀分布以及所有微生物颗粒的暴光时间，也是均匀分布的假设。
流体力学模型是基于模拟流体流动的计算机技术，计算微生物通过紫外线消毒系统的轨迹，研究反应器的水力特性。在20世纪80年代，Romero等就已经建立了关于环形紫外线消毒系统的流体动力学控制方程，后期随着计算机的普及，人们开始用CFD技术建立流体模型，解决涉及流体工程的问题。目前，常见的CFD软件有Phoenics、Cham、Fluent等。Unluturk等使用CFD技术计算紫外消毒系统的效果，结果显示，消毒效果的预测与模型的建立、参数的设定有很大的关系。Lyn等在二维模型中加入了拉格朗日算法和颗粒流数值，结合紫外线强度分布模型，对比了欧拉的预测方案和拉格朗日粒子轨迹方法。
建立好紫外线光强分布模型和CFD模型后，将二者进行耦合，利用消毒动力学参数，计算紫外线设备有效剂量，最后用试验对其进行验证和完善。
1.2、化学验证法
化学法是利用化学反应来测量紫外系统的消毒效果的。选择合适的化学物质，加入到紫外设备进水中，通过检测经过紫外线消毒设备前后化学物质发生光化学反应的情况，计算照射到水中上的紫外线剂量，得到紫外系统的消毒效果。化学物质要求具有感光性、在紫外线的辐照下可发生光化学反应，且易定量检测等特点。常用的感光物质有碘化钾、尿苷、碘酸钾等。化学验证往往应用于验证高剂量区间的紫外设备。
1.3、生物验证法
生物验证法是国际上广泛认可的剂量认定方法，很多国家制定了手册，将其作为标准方法来规范认定紫外线消毒设备的剂量。
生物验证是通过向紫外线消毒系统加入目标微生物，测定目标微生物的灭活率，反推紫外设备的剂量及消毒性能的。首先，用紫外平行光仪均匀照射已知浓度的目标微生物样品，检测照射后微生物浓度以确定灭活率。根据紫外强度、暴光时间等试验因素，计算微生物的紫外线照射剂量，最终得到目标微生物的紫外线剂量-灭活率曲线。然后，进行紫外线反应器的测试，将验证微生物加入到紫外线消毒系统的上游，在确定流量、UVT、UV功率等条件下，测定目标微生物的灭活率。根据检测结果以及上述紫外线剂量-灭活率曲线，可得在不同紫外灯输出功率和不同紫外线穿透率条件下，紫外线水消毒设备处理流量-剂量关系曲线，如图1所示。图1中UVT为水体紫外穿透率，横坐标为设备所处理的流量，纵坐标为设备的实际剂量。
图1紫外设备处理流量与剂量关系曲线
图1曲线类似于泵的工作曲线，因此也可以看作紫外设备的工作曲线。有了紫外设备的处理流量-剂量曲线，用户和设计院就可以很容易地核算紫外设备厂家所提供的设备方案是否能满足处理负荷下的目标剂量，从而确保所选择的紫外设备的消毒性能满足要求。当然，考虑到实际运行中灯管老化和灯管套管表面结垢因素，在剂量计算中需要用可靠的老化系数和结垢系数进行修正，以确保紫外设备的消毒性能在运行中不受这些因素的影响。老化系数与结垢系数如何取值，也有相关的规范和标准，可以参考本文第2节的相关介绍。
1.4、荧光微球法
荧光微球法与化学法类似，使用荧光微球，通过检测经过紫外线消毒设备前后微球发光的情况，计算照射到微球上的紫外线剂量。荧光微球是由特殊材料制成，在紫外线的辐照下，可以产生发光基团，且其发光强度与接收到的紫外线剂量成线性关系。因此，通过检测微球经过紫外线系统后发出荧光的强度来计算紫外线效果。
1.5、荧光探头监测法
原位荧光微探头具有近似360°响应的特性，将此探头置于管式紫外线设备腔体内，检测不同位置的紫外线强度，实现腔体内紫外线强度在线分布检测，模拟水中致病菌接受紫外辐射的效果，进而通过计算预测其剂量。
通过总结几种主要的紫外线剂量认定方法，发现计算模型法虽然可以通过直接假设或模拟紫外消毒系统中紫外线强度分布和流场分布，经济快捷地计算设备的紫外线剂量，但其模型中的一些假设或参数往往与实际不符。因此，依靠理论模型计算得出紫外消毒系统的效果与实际剂量是有偏差的，特别是光强分布模型中的UVDIS计算得到的剂量远高于设备的实际剂量，导致消毒不达标和供水安全的风险。计算流体力学模型法虽然定性趋势上与实际剂量变化趋势相同，但量上存在偏差，因此这种方法一般多用于紫外消毒器流场与灯管排布的优化设计，但不用于设备实际剂量的计算。用探头测定光强，进而计算剂量或者直接采用功率去计算剂量也无法准确计量微生物接受到的实际剂量。目前，为法规制定和执行部门所接受、也是最可以的方法的是生物验证法，很多国家已将其列为紫外设备实际剂量认定的标准方法。对于饮用水应用，主要西方国家和我国都要求紫外设备必须经过行业内独立第三方的生物验定剂量验证，并用验证得到的设备流量-剂量曲线来进行设备规模设计，没有经过生物验证的设备是不能采购的，这是出于确保供水安全的需要。
目前，美国的Hydroqual和Carollo咨询公司以及加拿大的Dillion公司都是国际紫外行业内比较公认的有经验和资质做紫外设备生物验定剂量验证的独立第三方单位。我国这方面尚处于起步阶段，清华大学环境学院也在筹备建立我国一个紫外设备生物验证平台，以促进紫外线消毒技术在我国得到健康发展，保障公众利益。
2、生物验证规范
基于保障公众利益的必要性，世界各国政府和监管机构针对紫外设备生物验证方法推出了各自的验证规范体系。国际公认的饮用水验证规程有O-Norm（奥地利）、DVGW（德国）、NSF（美国）、UVDGM（美国），其中运用最多的是德国的DVGW标准和美国的UVDGM指南。虽然这些标准规范有所差异，但根本要求是相同的，即都要求紫外设备的剂量用生物验证法认定。
对比国内外验证标准，美国UVDGM手册适用范围相对较小。UVDGM手册主要针对公共供水系统消毒，手册中涵盖了实施紫外线消毒系统的许多方面，但并没有全面介绍所有类型的紫外线消毒系统、设计替代方案以及验证协议。德国DVGW标准适用于所有紫外线杀菌设备，目标病原体涵盖范围广。中国《紫外线水消毒设备紫外线剂量测试方法》（GB/T 32092—2015）分别对饮用水、再生水和污水规范了不同的目标微生物，涉及范围广。表1为国内外验证标准的对比，这些规范指导原则不同，但都推动了紫外线技术在全部范围内的推广和运用，为公共饮用水安全保障做出了贡献。
