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紫外線消毒模塊技術的中國拓荒者

2019-06-26 11:25:48??????點擊:
飲用水微生物安全性是與人民健康休戚相關的問題。如何有效殺滅細菌和病毒,同時又不產生有毒副產物一直是飲用水消毒的關鍵。紫外線滅菌安全有效,不產生副產物,不改變水的物理化學性質,完全符合飲用水消毒的各項要求,是一種高效、安全、環保的綠色消毒技術。21世紀以來紫外線水消毒技術在發達國家得到極大的發展,近幾年在我國也發展很快,大型城市污水處理廠的紫外線消毒模塊系統已超過500套,大型城市自來水廠紫外線消毒模塊系統已有3套投入運行,在建和計劃建設的大型城市自來水廠紫外線消毒工程也有幾座,總處理能力達到每天上百萬立方米。紫外線技術在中國的快速發展離不開一個特殊人物的突出貢獻,他就是被稱為“中國紫外線消毒模塊技術之父”、紫外線水處理技術的中國拓荒者、清華大學環境學院教授、博士生導師劉文君。
談到為什么紫外線消毒模塊技術備受青睞,在國內外得到快速發展,劉文君教授介紹到:“通過加氯消毒控制飲用水傳播致病菌是20世紀人類取得的重大技術進展,但1993年發生在美國威斯康辛州密沃斯基市(Milwaukee)的一個悲劇改變了人們對氯消毒技術的樂觀態度。”1993年5月,密沃斯基一個承擔50萬人口供水任務的自來水廠發生微生物感染,導致57人死亡,5萬多人住院治療。在對飲用水水質高度重視的美國發生如此慘劇,震驚了全世界。后來經過全面深入研究,發現是一種叫隱孢子蟲的原蟲導致的,因為這種原蟲對氯消毒有抗性,也就是說常規的氯消毒不能有效控制隱孢子蟲的傳染性。上世紀末國外研究人員發現紫外線恰好能有效控制隱孢子蟲,彌補氯消毒的不足,因此紫外線消毒模塊技術立即就“火”了,受到美國、加拿大、日本以及歐洲不少國家的高度重視。而剛好劉文君教授當時在加拿大滑鐵盧大學從事博士后研究,課題就是美國環保局(EPA)和給水工程協會研究基金會(AWWARF)資助的關于紫外線消毒模塊技術的重大課題,因此一下子進入國際前沿研究團隊。這支研究團隊包括當時國際紫外線協會常務副主席James Bolton教授和今年剛當選為下一屆國際紫外線主席的Karl Lindern教授。能在一個課題組同時接觸這么多高水平專家,劉文君教授現在回憶起來還感嘆自己很幸運。 
2003年,經人才引進,劉文君教授回到母校清華大學任教。那一年發生了震驚全世界、影響深遠的SARS爆發事件。現在大家可能已經淡忘了當時的情形,但在那時小小的病毒攪得首都北京雞犬不寧,整個中國損失巨大。由此使水消毒的重要性引起政府高層、水行業和普通百姓的高度關注。劉文君教授還清晰地記得回國后應邀作的第一個重要學術報告就是在2003年北京國際消毒技術研討會上介紹水消毒技術的發展情況、不同消毒技術的優缺點和應用特性。該主題報告受到熱烈歡迎并獲得一等獎。在了解到國內消毒技術研究比較落后的情況后,他確定了自己的研究主攻方向為安全消毒技術,并把當時國際上也是剛剛起步的紫外線消毒模塊技術作為研究重點。 
從此在紫外線消毒模塊技術方面,劉文君教授創造了多項第一:在國內第一個建立了國際標準的紫外線實驗裝置,自行設計了國內第一臺兼有低壓、中壓紫外線輻射系統的平行光儀,開展了第一次中試規模的飲用水紫外線消毒研究,承擔了“十一五”農村飲用水紫外線消毒模塊技術研究和工程示范,主持了國內第一座市政供水的紫外線消毒工程(天津泰達自來水廠三期紫外線消毒工程),成立了國內第一個安全消毒研究中心,作為我國學者第一次入選國際紫外線協會常務理事,擔任國家標準化管理委員會于2007年批準成立的紫外線消毒標準化技術委員會主任至今,作為主要技術負責人參與制定了我國第一部紫外線消毒國家標準《城市給排水紫外線消毒設備》(GB/T19837-2005)。特別值得一提的是天津泰達自來水廠三期紫外線消毒工程,經過兩年運行后,于2011年5月在巴黎召開的國際紫外線協會(IUVA)第六屆大會上獲得“2010年度IUVA最佳工程獎”,獲獎理由是:“通過科研和設計的有機結合,完全依靠本地的技術人員將紫外線新技術應用于工程實際并取得突出效果”。 
劉文君教授不但開創了國內大型市政給水紫外線安全消毒工程應用的新領域,在基礎研究方面也取得了國際同行高度認可的成果,對紫外線與氯的協同消毒機理、紫外線消毒后微生物復活問題、紫外線消毒后的管網水質微生物穩定性的控制等都提出了重要新見解,提出在保持紫外線劑量的情況下通過提高紫外線強度控制微生物復活的新方法,這些研究成果為推動紫外線技術的健康應用作出了極大貢獻。 
劉文君教授解釋,紫外線消毒模塊技術主要有三方面的優點:1)對抗氯性的兩蟲(隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲)有較好滅活作用,對細菌、病毒有高效光譜消毒效果。國外一般習慣生飲水,對水的生物安全性要求很高。盡管我國由于歷史原因習慣飲茶和飲開水,但《生活飲用水衛生標準(GB5749-2006)》提出的水質指標是保證水龍頭水可以直接飲用的。2)消毒副產物的問題。中國目前多數水源都受到不同程度的污染,加氯消毒后產生消毒副產物是個比較普遍存在的問題。部分消毒副產物中對人體有一定的危害,如飲用水標準中規定的三鹵甲烷、鹵乙酸等是致癌物,特別是鹵乙酸由于沸點比較高,在燒開水過程中可能會濃縮。而且水消毒過程中產生的消毒副產物比飲用水水質標準中規定的副產物要多得多。紫外線在消毒劑量范圍內則不產生任何副產物。3)從公共安全角度講,消毒用的液氯有一定風險,在生產、運輸、儲存和使用過程中都有泄漏的風險,因此北京、上海、廣州、深圳等舉辦大型國際活動的城市都禁止用液氯,而改用次氯酸鈉等相對安全的化學試劑。劉教授談到,美國曾報道液氯是恐怖分子最容易獲得的危險品,一個液氯罐可以造成幾萬人的傷亡。而紫外線消毒系統則十分安全,對公共安全不構成潛在威脅。 
但是劉文君教授強調,任何一種技術都有利有弊,紫外線消毒同樣有一定的缺點,主要有:1)不能維持供水管網持續消毒效果,因此需要與氯或者氯胺配合使用。當然在歐洲(如德國、荷蘭、奧地利等)一些水質較好的城市只用紫外線消毒就可以保證管網水質微生物安全性,但就中國目前的現狀而言,由于水質的生物穩定性很差,城市的管網很大,管網系統老化和管理不嚴格等問題,紫外線消毒后管網不加氯或氯胺是不行的,或許在將來水質改善后在一些管網較小的地方可以實現只用紫外線消毒。劉教授在進行農村紫外線消毒示范工程研究中也證實了這一點。2)紫外線消毒后微生物復活的問題。劉教授說這是大家普遍關心的問題之一,他說紫外消毒的原理只是DNA堿基對的多聚化,讓DNA不能復制從而破壞微生物的遺傳能力,因此在一定的光照條件下也會發生解聚,即發生消毒后“死亡”的微生物復活的問題,這個問題在市政污水消毒中確實存在,但在市政供水管網中則不是問題,因為供水管網被封閉埋在地下,沒有光照條件。另外還有余氯確保控制管網微生物問題。因此紫外線消毒是足夠安全的,國外已有較多大型市政供水紫外線消毒應用的先例。 
談到多年來的教學科研生活和取得的成就,劉文君教授坦言國外留學的經歷對他影響很大:“我在國外做過四年博士后研究,分別在新加坡、加拿大、美國的三所著名高校,三位合作導師都是國際著名水處理專家,三個地方都很有特點,能夠體會到東西方文化不同對教育結果的影響。剛去的時候給我的感觸是理念上的巨大差異,他們的研究態度很端正,不急功近利、科學性很強,強調研究過程的嚴謹和對機理的認識,這對我影響很大。目前國內應該說科研條件比十年前有較大進步,國家對科研的重視和巨大投入是歷史上從未有過的。但因此在科研界也存在浮躁的問題,特別是研究過程和結論的科學性不夠、嚴謹性不足的問題,所以我提出了十六個字的科研理念:國際視野,中國問題,科學方法,創新思維。” 
劉文君教授科研理念中的“中國問題”是指技術研發的著眼點要針對我國發展的重大需求,而不是盲目效仿國外的研究課題。因為我國幅員遼闊,地區差異大、環保欠賬多,飲用水污染事件頻發,飲用水安全問題受到社會各界的廣泛關注,特別是2012年全國將全面實行新的飲用水標準《生活飲用水衛生標準(GB5749-2006)》,水廠達標改造對適用技術有巨大的需求,因此研究人員需要對中國供水行業面臨的主要技術挑戰提出自己的答案。較好地回答這樣的問題則需要有國際視野,借鑒發達國家過去的發展經驗,更重要的是學習人家做研究的科學態度,這一點十分重要,否則投入越大,浪費越大。解決我國的飲用水安全問題更需要創新思維,因為我國飲用水領域相關專業人員面臨巨大的挑戰:水資源的短缺使得他們往往不得不將不符合飲用水源水質標準甚至受到較嚴重污染的水源水處理到滿足越來越嚴格的、與國際接軌的飲用水水質標準的要求。 
當我們佩服劉教授在紫外線消毒模塊技術方面取得的成就時,劉教授笑著說,紫外線消毒只是他的一個研究領域,他主要的研究領域是飲用水安全保障技術,包括飲用水的生物預處理和臭氧活性炭深度處理、氯安全消毒新技術和飲用水生物穩定性等。我們了解到劉教授是國內最早進行消毒副產物和生物穩定性研究的學者,在國內建立了飲用水生物穩定性研究方法學和指標體系,提出了生物穩定性指標AOC(生物可同化有機碳)的測定方法并被廣泛采用。除科研工作以外,在2005年11月松花江重大污染事故哈爾濱恢復供水工作中,他作為專家組主要成員兼新聞發言人,親臨現場,堅持一線,參與制定應急供水技術方案并成功實施,為哈爾濱市提前恢復供水作出突出貢獻,受到相關部門的高度贊揚;并在其他污染事故應急處理中也發揮了突出作用。 
除了推動水和廢水紫外線消毒模塊技術的發展,作為主要技術負責人,劉文君教授在“十一五”期間負責研發的以紫外線消毒為核心的遠洋船舶壓載水處理系統(Blue Ocean Shield,BOS)也于2009年通過國際海事組織(IMO)的初步認證,2010年通過交通運輸部的評審和認證,目前正處于產業化階段。BOS壓載水處理系統為國內第一套通過國際和國內認證的壓載水處理系統,為我國作為造船和遠洋航運大國履行國際海事組織關于壓載水管理相關國際公約提供了技術保障,具有重要戰略意義。 
“紫外線是一個很新的技術,別說是普通民眾,很多專業人員對這項技術原理仍還很陌生。”多年來,劉文君和他的研究團隊做過許多宣傳教育工作,傳播這方面的知識,對推動紫外線的應用起到一定的作用。但他認為還需要加大力氣投入更多的研究和推廣。他說:“很多人一開始覺得紫外線消毒很神秘,有一定了解后又覺得紫外線消毒很簡單,這都是不對的。”他說目前市政污水紫外線工程較多,但存在問題也較多,以致有業內知名人士提出要給紫外線消毒模塊技術進行“消毒”。劉教授完全同意這種意見,因為我國特殊的招標制度,使很多不符合要求的紫外線設備進入市場,從事紫外線設備生產和工程應用似乎很有“錢”途,因此一哄而上。很多廠家認為紫外線很簡單,買燈管后模仿別人的產品就大功告成,實際上這種想法是錯誤的,而國家有關部門對此也缺少監管,因此市政污水紫外線消毒的確到了一個關鍵時期。劉教授十分擔心一個很好的技術有被毀掉的危險。 
按照國際慣例,紫外線消毒系統需要有獨立第三方測試報告,但目前我國還沒有這樣的機構。劉文君教授一直希望清華大學的紫外研究中心能成為中國的紫外消毒設備第三方驗證中心。他說,理論上紫外線反應器的計算值是不可靠的,必須采用生物驗證確定劑量反應關系。紫外線是比較新的技術,在美國從研究到被批準在飲用水處理中的應用也僅僅用了短短的5年時間。作為相對保守的飲用水行業,這是以前從未有過的。由于微生物的實驗比較專業,需要有專門的獨立的第三方權威機構來檢測。紫外消毒的劑量不像余氯那樣可以實時檢測,因此必須保證系統的穩定性、設計的合理性來減少風險。而由于紫外線消毒及相關知識的缺乏,有些設備公司由于設計不合理達不到水質要求,給用戶和設備制造商帶來損失。從法律和政策層面,需要國家主管部門授權的國家級機構來承擔這個工作,目前在中國只有一些研究機構具備這個能力,但沒有資質。 
盡管劉文君對紫外線技術應用存在的問題表示擔憂,但對其未來的發展仍表現出極大的信心,他說:“我們的消毒研究中心以及合作單位正在進行深入的研究,希望對紫外線技術應用和發展中碰到的問題從技術層面加以解決,紫外線消毒模塊技術的前景是光明的。” 


劉文君,清華大學環境學院教授、博士生導師。曾任飲用水安全研究所所長,現任環境學院黨委副書記、全國紫外線消毒標準化委員會主任委員、國際紫外線協會(IUVA)常務理事、中國土木工程學會水工業分會秘書長、教育部留學基金委評審專家、中國工業經濟聯合會臭氧專業委員會專家理事、全國給水深度處理研究會理事兼秘書長。曾獲2010年度國際紫外線協會最佳工程獎、2010年度第九屆中國土木工程詹天佑獎、2008年度華夏獎、2008年北京市科學技術獎、2006年北京市優秀教師,入選2006年教育部新世紀優秀人才支持計劃、獲2003年北京國際消毒技術研討會優秀論文一等獎、2001年全國百篇優秀博士論文稱號,其領導的飲用水安全研究所獲2008年度全國五一勞動獎狀稱號。

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