紫外線應用于水消毒工藝的理論研究的進展*

宋葉葉，張連峰，黃河洵，安 瑞，童張法

(1 深圳清華大學研究院生態與環境保護實驗室，廣東 深圳 518057；2 廣西大學化學化工學院，廣西 南寧 530004；3 深圳市水務(集團)有限公司，廣東 深圳 518031；4 深圳城市污水處理與再生利用工程實驗室，廣東 深圳 518031)

1801年，德國物理學家Johann Wilhelm Ritter發現在人們視覺能夠感受的光線之外仍有一種射線。由于這種射線位于可見紫色光之外，所以稱為紫外線。在以后的200多年，科學家們對紫外線相關的理論不斷研究和完善，同時紫外線也在很多領域，例如，水、空氣消毒和凈化、物體表面消毒、物體的表面處理等方面都得到了廣泛的應用。隨著紫外線技術的發展，紫外線領域內的一些專業概念變得模糊或發生了變化。例如，定量描述紫外線的紫外線強度(UV intensity)的概念是不明確的，需要用劑量率(fluence rate)和輻射照度(irradiance)取代[1-2]。

在以前的工作的基礎上[2]、分析對比了各國、各國際組織的標準、準則、手冊，論文、著作，進一步澄清了紫外線領域內一些關鍵概念。對紫外線輻射劑量的分布的數學表達進行了分析研究。

1 紫外線的定義和分類

在人類發現紫外線時，它是一種能看見的光線以外的射線，即，紫外線和可見光是涇渭分明的。但是，隨著科學的進步，人們用波長定義了紫外線和可見光等概念。這時，“紫外線”，“可見光”都失去了字面的“紫線外側”和“能看見的光”的嚴格意義，成為了定型了的專業名詞。國際標準化組織(International Organization for Standardization，ISO)把紫外線(ultraviolet)定義在100～400 nm，可見光定義在360～760 nm(Visible)，兩者是有重疊的，人視覺可見的最短波長為360 nm[3]。

對于紫外線的波長范圍的定義，各種文獻中也不盡相同。表1是權威性的各種國內、國外、國際的標準中給出的紫外線的名詞和概念定義。在這些標準中(關于各標準的發布、推薦機構，參見參考文獻)，中華人民共和國環境保護部、國際標準化組織、世界衛生組織(World Health Organization, WHO)、世界氣象組織(World Meteorological Organization，WMO)、聯合國環境規劃署(United Nations Environment Program, UNEP)、國際非電離輻射防護委員會(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection，ICNIRP)、以及國際著名紫外線學者Jim Bolton都采納了相同的紫外線定義(100～400 nm)。但是中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會發布的GB/T 19837-2005《城市給排水紫外線消毒設備》[4]中采納的定義是100～380 nm，美國疾病控制與預防中心的標準《CDC Guideline for Disinfection and Sterilization in Healthcare Facilities, 2008》[5]采納的是210～380 nm。美國環境保護局在1986、2003、2006年分別給出了不同的定義：40～400 nm[6]，200～400 nm[7]，100～400 nm[8]。

表1 紫外線定義一覽表

表2 ISO對電磁波的分類和定義[3]

目前，能見到的權威、全面地對紫外線進行定義的是國際標準化組織的SO/DIS 21348[3]。這個標準的定義有些特殊，容易引起概念混淆，見表2。根據表2的第一欄，光譜類別(Spectral category)，可以把Ultraviolet理解為10～400 nm；而根據表2的第二欄和最后一欄，ultraviolet=UV，波長為100～400 nm。除了表2，此標準在文字中有對紫外線的正式定義：100～400 nm的射線。因此，作為紫外線的定義，此標準是100～400 nm，名詞是ultraviolet或UV。但是，在光譜類別(Spectral category)的大分類中，ultraviolet這一名詞的波長延伸到了10 nm，此時不能使用名詞UV。Ultraviolet的意義是模糊的，有時代表10～400 nm波長的射線，有時代表100～400 nm波長的射線；而UV明確、嚴格地只代表100～400 nm波長的射線，即，UV不是ultraviolet的縮寫。

真空紫外線(Vacuum Ultraviolet)的定義很特殊，10～200 nm。但光譜類別(Spectral category)又在“Ultraviolet”范圍內，而此標準在文字中對“Ultraviolet”的正式定義是100～400 nm的射線。這很容易引起Vacuum ultraviolet(真空紫外線)是不是Ultraviolet的概念不清。清晰的名詞是UV，確定的代表100～400 nm，因此，Vacuum ultraviolet不是UV，也不隸屬于UV。

根據中文文獻和我國行業標準HJ2522-2012[9]，本文作者認為紫外線的波長應采納100～400 nm，而真空紫外線的波長是10～200 nm(國際標準化組織的定義)，因此，中文的“紫外線”和“真空紫外線”兩個名詞所表達的概念是相互獨立、互不隸屬、實質重疊的關系。

在SO/DIS 21348[3]的光譜分類中，Visible、Vis是不同的概念，由于后者被注釋為了Optical，在用英文表達時概念上很清晰，見表2。當翻譯成中文時，容易將Visible和Vis等同起來，認為后者是前者的縮寫，譯成可見光，從而誘發了最短可見光的波長到底是360 nm還是380 nm的爭論和混亂。

世界衛生組織、世界氣象組織、聯合國環境規劃署、國際非電離輻射防護委員會聯合推薦的《Global Solar UV Index-A Practical Guide》[10]對UV、UVA、UVB、UVAC的分類進行了定義和解釋，和國際標準化組織的分類一致：100～400 nm，315～400 nm，280～315 nm，100～280 nm[10]。

表3 Jim Bolton對輻射光譜的分類和定義[11]

表4 本文建議的重要紫外線概念的定義一覽表

*列于此，供參考對比，非本文建議的定義。

世界著名紫外線學者Jim Bolton對輻射光譜分類的解釋和以上不一致，見表3[11]。本文作者和Jim Bolton就此進行了交流。他認為在文獻中相關定義并沒有統一，他給出的分類是基于文獻中最常用的定義。他的定義和分類與美國環境保護局發布的紫外線消毒指南《USEPA UV Disinfection Guidance Manual，2006》[8]采納的定義和分類相一致。本文作者傾向于優先采納具有權威性的國際標準化組織推薦的定義(SO/DIS 21348[3])，見表4。必須注意，中文名詞“紫外線”和“可見光”涵蓋了兩個不同的定義，表中帶星號的為本文不建議使用的定義。對于可見光的定義，目前文獻中使用最廣的定義是400～700 nm[11]。

2 紫外線的定量描述

2.1 輻射照度(irradiance)

從上部進入包含被照射點的無限小的面的總入射功率除以這個無限小的面的面積，單位是W·m-2，見圖1。

圖1 輻照強度的概念[12]

2.2 劑量率(fluence rate)

從各個方向進入包含被照射點的無限小的球的總入射功率除以這個無限小的球的截面積，單位是W·m-2，見圖2。

圖2 劑量率的概念[12]

2.3 紫外線強度(UV intensity)

紫外線強度是在劑量率和輻射照度出現以前使用的描述紫外線的計量單位，它模糊地涵蓋了應該由劑量率和輻射強度兩個概念表達的內容。在進行準確、深入分析輻射場時，會出現問題。目前，在一定的環境下，這個名詞仍在口語中使用。但在嚴謹描述紫外線時，應該使用劑量率和輻射照度。

3 紫外線輻射場計算的兩個誤區

紫外線輻射場計算的討論可參見文獻[2]。這里討論紫外線計算領域內的兩個誤區。

3.1 關于在中文網上流傳的一個輻射計算方法

圖3 紫外線燈的排列方式[6]

圖4 不同排列方式在吸收系數為0.4/cm時的計算結果[6]

在國內，中文網上流傳著一個輻射計算方法，并且有紫外線廠家以此計算方法向客戶推薦紫外線反應器。這個方法自述是美國環保局的“污水消毒設計手冊”(原始英文文件見文獻[6])上的方法。本文作者對文獻[6]進行了深入調查。1986年，美國環境保護局推薦了一套用紫外線密度進行紫外線反應器設計的方法[6]。它將紫外線燈在紫外線反應器內的排列方式分為4類，對每一種排列方式下的紫外線密度、平均紫外線強度、水體的紫外線吸收系數建立關系曲線。然后，依據這些關系曲線計算設計紫外線反應器的平均紫外線強度。只定義和提供4種排列方式的計算曲線，計算精度較低。例如，見圖3 和圖4[6]，同為方形排列的均一排列(uniform)和錯位排列(Staggered)，從圖上讀數估計，相差在30%～40%。觀察這兩種排列方式，顯然30%～40%夸大了兩者間的差距，即，此計算方法有很大的計算誤差。事實上，早在2004年就有學者基于研究和實際工程應用經驗，給出了此方法不可靠的結論[13]。

3.2 關于UVDis

在GBT19837-2005《城市給排水紫外線消毒設備》有這樣的描述：“由于這一劑量常用UVDis計算軟件計算得到，因此有時也稱UVDis劑量”。本文作者進行了深入調查。UVDis是根據文獻[6]編制的一個計算軟件，1992年出了UVDis 3.1，以后再沒有更新。UVDis 3.1的軟件供應商是HydroQual, Inc.[14]，現這家公司已經不存在，并購到了HDR, Inc.[15]。本文作者電郵HDR, inc.詢問，得到了回復：“那個軟件是多年前開發的，我們不再與它有關系，也不對它承擔任何責任。所有與這個軟件相關的人都已經離職或退休”。因此，UVDis 3.1是一個27年前出版，已經無人負責的軟件。而且，如前文所述，文獻[6]是30年前的計算方法,自身有很多不足，參見文獻[2]。

4 輻射劑量分布的表達

水體經過紫外線消毒反應器后，受到的輻射劑量不是均勻的。為了準確掌控紫外線反應器的性能，需要了解輻射劑量分布。目前的文獻中[8,16-17]，在表達輻射劑量分布時，都是用輻射劑量作橫坐標，“出現概率/頻率”(Occurrence probability、Probability、Frequency)作為縱坐標。見圖5，實測時，測量的是各個小輻射劑量區間內的出現概率，如圖5(a)所示，每個輻射劑量區間用一個方框表示。這種表達方式是很清晰的(例如，參考文獻[8]的Figure 2.7)，但是，如果把這種方框圖近似為一條連續曲線(參考文獻[8]的Figure D.1、D.2)是有問題的，以下以兩個例子說明這樣的連續曲線在數學上是錯誤的：

圖5 劑量分布的表達方式輻射劑量

例1見圖5(b)、圖5(c)。例如，表5是一組輻射劑量分布數據，當希望得到連續曲線時(參見圖5(b))，就需要把方框的輻射劑量區間減小、細分。假設表5中各區間內(1～2、2～3、3～4 mJ/cm2)的輻射劑量是均勻分布，將劑量區間細分為原區間寬度的一半，則表5也可表達為表6。但是，分別用表5和表6做圖，則得到不同的分布圖，見圖6和圖7。

表5 輻射劑量分布數據

圖6 輻射劑量分布圖

表6 輻射劑量分布數據

圖7 輻射劑量分布圖

例子2參見圖5(c)，在曲線下方的橫坐標上不包括曲線兩端的兩點內任取取一個點，都對應有一個非0的出現概率數值。那么對于點In(n=1，2，…,m)，出現概率是Pn，則出現概率的總合為P=P1+P2+P3+……Pm。因為是一條連續曲線，m可以是無限制的增大，P>1成為可能，這在數學上顯然是錯誤的。

在連續曲線上出現這種數學錯誤的原因是縱坐標不應該用概率的概念，應該用概率密度的概念來表達，即，劑量分布曲線應該引入概率密度的概念進行表達：

(1)

(2)

各符號的數學含義和在應用于紫外線劑量分布時的含義見表7。從表7可以看出，出現概率P[a

(1)區間[a

(2)在區間[-∞

(3)紫外線測量和計量時，一般得到的是一個小區間的紫外線劑量出現的概率，將出現概率除以這個區間就是相應的這個小區間中心點的概率密度。然后做紫外線劑量-概率密度圖，就是相應的紫外線劑量分布圖。

表7 公式(1)和(2)中各符號含義

5 結 語

本文討論了在紫外線水消毒應用領域內的一些關鍵的概念、理論和最新的研究成果。重點討論了以下幾個方面：

(1)分析對比了各國、各國際組織標準、準則。由于這些標準、準則之間或自身在一些基本概念上有不同或模糊之處，導致在紫外線領域一些概念不清晰。本文在這方面進行了分析、討論和澄清。

(2)討論了國內紫外線領域內，在輻射場計算方面的誤區。

(3)指出了現有的表達紫外線輻射劑量分布的方法在數學上的不合理性，提出紫外線輻射劑量分布用概率密度的概念進行表達的方法。