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紫外线消毒模块技术的中国拓荒者

2019-06-26 11:25:48      点击:
饮用水微生物安全性是与人民健康休戚相关的问题。如何有效杀灭细菌和病毒,同时又不产生有毒副产物一直是饮用水消毒的关键。紫外线灭菌安全有效,不产生副产物,不改变水的物理化学性质,完全符合饮用水消毒的各项要求,是一种高效、安全、环保的绿色消毒技术。21世纪以来紫外线水消毒技术在发达国家得到极大的发展,近几年在我国也发展很快,大型城市污水处理厂的紫外线消毒模块系统已超过500套,大型城市自来水厂紫外线消毒模块系统已有3套投入运行,在建和计划建设的大型城市自来水厂紫外线消毒工程也有几座,总处理能力达到每天上百万立方米。紫外线技术在中国的快速发展离不开一个特殊人物的突出贡献,他就是被称为“中国紫外线消毒模块技术之父”、紫外线水处理技术的中国拓荒者、清华大学环境学院教授、博士生导师刘文君。
谈到为什么紫外线消毒模块技术备受青睐,在国内外得到快速发展,刘文君教授介绍到:“通过加氯消毒控制饮用水传播致病菌是20世纪人类取得的重大技术进展,但1993年发生在美国威斯康辛州密沃斯基市(Milwaukee)的一个悲剧改变了人们对氯消毒技术的乐观态度。”1993年5月,密沃斯基一个承担50万人口供水任务的自来水厂发生微生物感染,导致57人死亡,5万多人住院治疗。在对饮用水水质高度重视的美国发生如此惨剧,震惊了全世界。后来经过全面深入研究,发现是一种叫隐孢子虫的原虫导致的,因为这种原虫对氯消毒有抗性,也就是说常规的氯消毒不能有效控制隐孢子虫的传染性。上世纪末国外研究人员发现紫外线恰好能有效控制隐孢子虫,弥补氯消毒的不足,因此紫外线消毒模块技术立即就“火”了,受到美国、加拿大、日本以及欧洲不少国家的高度重视。而刚好刘文君教授当时在加拿大滑铁卢大学从事博士后研究,课题就是美国环保局(EPA)和给水工程协会研究基金会(AWWARF)资助的关于紫外线消毒模块技术的重大课题,因此一下子进入国际前沿研究团队。这支研究团队包括当时国际紫外线协会常务副主席James Bolton教授和今年刚当选为下一届国际紫外线主席的Karl Lindern教授。能在一个课题组同时接触这么多高水平专家,刘文君教授现在回忆起来还感叹自己很幸运。 
2003年,经人才引进,刘文君教授回到母校清华大学任教。那一年发生了震惊全世界、影响深远的SARS爆发事件。现在大家可能已经淡忘了当时的情形,但在那时小小的病毒搅得首都北京鸡犬不宁,整个中国损失巨大。由此使水消毒的重要性引起政府高层、水行业和普通百姓的高度关注。刘文君教授还清晰地记得回国后应邀作的第一个重要学术报告就是在2003年北京国际消毒技术研讨会上介绍水消毒技术的发展情况、不同消毒技术的优缺点和应用特性。该主题报告受到热烈欢迎并获得一等奖。在了解到国内消毒技术研究比较落后的情况后,他确定了自己的研究主攻方向为安全消毒技术,并把当时国际上也是刚刚起步的紫外线消毒模块技术作为研究重点。 
从此在紫外线消毒模块技术方面,刘文君教授创造了多项第一:在国内第一个建立了国际标准的紫外线实验装置,自行设计了国内第一台兼有低压、中压紫外线辐射系统的平行光仪,开展了第一次中试规模的饮用水紫外线消毒研究,承担了“十一五”农村饮用水紫外线消毒模块技术研究和工程示范,主持了国内第一座市政供水的紫外线消毒工程(天津泰达自来水厂三期紫外线消毒工程),成立了国内第一个安全消毒研究中心,作为我国学者第一次入选国际紫外线协会常务理事,担任国家标准化管理委员会于2007年批准成立的紫外线消毒标准化技术委员会主任至今,作为主要技术负责人参与制定了我国第一部紫外线消毒国家标准《城市给排水紫外线消毒设备》(GB/T19837-2005)。特别值得一提的是天津泰达自来水厂三期紫外线消毒工程,经过两年运行后,于2011年5月在巴黎召开的国际紫外线协会(IUVA)第六届大会上获得“2010年度IUVA最佳工程奖”,获奖理由是:“通过科研和设计的有机结合,完全依靠本地的技术人员将紫外线新技术应用于工程实际并取得突出效果”。 
刘文君教授不但开创了国内大型市政给水紫外线安全消毒工程应用的新领域,在基础研究方面也取得了国际同行高度认可的成果,对紫外线与氯的协同消毒机理、紫外线消毒后微生物复活问题、紫外线消毒后的管网水质微生物稳定性的控制等都提出了重要新见解,提出在保持紫外线剂量的情况下通过提高紫外线强度控制微生物复活的新方法,这些研究成果为推动紫外线技术的健康应用作出了极大贡献。 
刘文君教授解释,紫外线消毒模块技术主要有三方面的优点:1)对抗氯性的两虫(隐孢子虫、贾第鞭毛虫)有较好灭活作用,对细菌、病毒有高效光谱消毒效果。国外一般习惯生饮水,对水的生物安全性要求很高。尽管我国由于历史原因习惯饮茶和饮开水,但《生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)》提出的水质指标是保证水龙头水可以直接饮用的。2)消毒副产物的问题。中国目前多数水源都受到不同程度的污染,加氯消毒后产生消毒副产物是个比较普遍存在的问题。部分消毒副产物中对人体有一定的危害,如饮用水标准中规定的三卤甲烷、卤乙酸等是致癌物,特别是卤乙酸由于沸点比较高,在烧开水过程中可能会浓缩。而且水消毒过程中产生的消毒副产物比饮用水水质标准中规定的副产物要多得多。紫外线在消毒剂量范围内则不产生任何副产物。3)从公共安全角度讲,消毒用的液氯有一定风险,在生产、运输、储存和使用过程中都有泄漏的风险,因此北京、上海、广州、深圳等举办大型国际活动的城市都禁止用液氯,而改用次氯酸钠等相对安全的化学试剂。刘教授谈到,美国曾报道液氯是恐怖分子最容易获得的危险品,一个液氯罐可以造成几万人的伤亡。而紫外线消毒系统则十分安全,对公共安全不构成潜在威胁。 
但是刘文君教授强调,任何一种技术都有利有弊,紫外线消毒同样有一定的缺点,主要有:1)不能维持供水管网持续消毒效果,因此需要与氯或者氯胺配合使用。当然在欧洲(如德国、荷兰、奥地利等)一些水质较好的城市只用紫外线消毒就可以保证管网水质微生物安全性,但就中国目前的现状而言,由于水质的生物稳定性很差,城市的管网很大,管网系统老化和管理不严格等问题,紫外线消毒后管网不加氯或氯胺是不行的,或许在将来水质改善后在一些管网较小的地方可以实现只用紫外线消毒。刘教授在进行农村紫外线消毒示范工程研究中也证实了这一点。2)紫外线消毒后微生物复活的问题。刘教授说这是大家普遍关心的问题之一,他说紫外消毒的原理只是DNA碱基对的多聚化,让DNA不能复制从而破坏微生物的遗传能力,因此在一定的光照条件下也会发生解聚,即发生消毒后“死亡”的微生物复活的问题,这个问题在市政污水消毒中确实存在,但在市政供水管网中则不是问题,因为供水管网被封闭埋在地下,没有光照条件。另外还有余氯确保控制管网微生物问题。因此紫外线消毒是足够安全的,国外已有较多大型市政供水紫外线消毒应用的先例。 
谈到多年来的教学科研生活和取得的成就,刘文君教授坦言国外留学的经历对他影响很大:“我在国外做过四年博士后研究,分别在新加坡、加拿大、美国的三所著名高校,三位合作导师都是国际著名水处理专家,三个地方都很有特点,能够体会到东西方文化不同对教育结果的影响。刚去的时候给我的感触是理念上的巨大差异,他们的研究态度很端正,不急功近利、科学性很强,强调研究过程的严谨和对机理的认识,这对我影响很大。目前国内应该说科研条件比十年前有较大进步,国家对科研的重视和巨大投入是历史上从未有过的。但因此在科研界也存在浮躁的问题,特别是研究过程和结论的科学性不够、严谨性不足的问题,所以我提出了十六个字的科研理念:国际视野,中国问题,科学方法,创新思维。” 
刘文君教授科研理念中的“中国问题”是指技术研发的着眼点要针对我国发展的重大需求,而不是盲目效仿国外的研究课题。因为我国幅员辽阔,地区差异大、环保欠账多,饮用水污染事件频发,饮用水安全问题受到社会各界的广泛关注,特别是2012年全国将全面实行新的饮用水标准《生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)》,水厂达标改造对适用技术有巨大的需求,因此研究人员需要对中国供水行业面临的主要技术挑战提出自己的答案。较好地回答这样的问题则需要有国际视野,借鉴发达国家过去的发展经验,更重要的是学习人家做研究的科学态度,这一点十分重要,否则投入越大,浪费越大。解决我国的饮用水安全问题更需要创新思维,因为我国饮用水领域相关专业人员面临巨大的挑战:水资源的短缺使得他们往往不得不将不符合饮用水源水质标准甚至受到较严重污染的水源水处理到满足越来越严格的、与国际接轨的饮用水水质标准的要求。 
当我们佩服刘教授在紫外线消毒模块技术方面取得的成就时,刘教授笑着说,紫外线消毒只是他的一个研究领域,他主要的研究领域是饮用水安全保障技术,包括饮用水的生物预处理和臭氧活性炭深度处理、氯安全消毒新技术和饮用水生物稳定性等。我们了解到刘教授是国内最早进行消毒副产物和生物稳定性研究的学者,在国内建立了饮用水生物稳定性研究方法学和指标体系,提出了生物稳定性指标AOC(生物可同化有机碳)的测定方法并被广泛采用。除科研工作以外,在2005年11月松花江重大污染事故哈尔滨恢复供水工作中,他作为专家组主要成员兼新闻发言人,亲临现场,坚持一线,参与制定应急供水技术方案并成功实施,为哈尔滨市提前恢复供水作出突出贡献,受到相关部门的高度赞扬;并在其他污染事故应急处理中也发挥了突出作用。 
除了推动水和废水紫外线消毒模块技术的发展,作为主要技术负责人,刘文君教授在“十一五”期间负责研发的以紫外线消毒为核心的远洋船舶压载水处理系统(Blue Ocean Shield,BOS)也于2009年通过国际海事组织(IMO)的初步认证,2010年通过交通运输部的评审和认证,目前正处于产业化阶段。BOS压载水处理系统为国内第一套通过国际和国内认证的压载水处理系统,为我国作为造船和远洋航运大国履行国际海事组织关于压载水管理相关国际公约提供了技术保障,具有重要战略意义。 
“紫外线是一个很新的技术,别说是普通民众,很多专业人员对这项技术原理仍还很陌生。”多年来,刘文君和他的研究团队做过许多宣传教育工作,传播这方面的知识,对推动紫外线的应用起到一定的作用。但他认为还需要加大力气投入更多的研究和推广。他说:“很多人一开始觉得紫外线消毒很神秘,有一定了解后又觉得紫外线消毒很简单,这都是不对的。”他说目前市政污水紫外线工程较多,但存在问题也较多,以致有业内知名人士提出要给紫外线消毒模块技术进行“消毒”。刘教授完全同意这种意见,因为我国特殊的招标制度,使很多不符合要求的紫外线设备进入市场,从事紫外线设备生产和工程应用似乎很有“钱”途,因此一哄而上。很多厂家认为紫外线很简单,买灯管后模仿别人的产品就大功告成,实际上这种想法是错误的,而国家有关部门对此也缺少监管,因此市政污水紫外线消毒的确到了一个关键时期。刘教授十分担心一个很好的技术有被毁掉的危险。 
按照国际惯例,紫外线消毒系统需要有独立第三方测试报告,但目前我国还没有这样的机构。刘文君教授一直希望清华大学的紫外研究中心能成为中国的紫外消毒设备第三方验证中心。他说,理论上紫外线反应器的计算值是不可靠的,必须采用生物验证确定剂量反应关系。紫外线是比较新的技术,在美国从研究到被批准在饮用水处理中的应用也仅仅用了短短的5年时间。作为相对保守的饮用水行业,这是以前从未有过的。由于微生物的实验比较专业,需要有专门的独立的第三方权威机构来检测。紫外消毒的剂量不像余氯那样可以实时检测,因此必须保证系统的稳定性、设计的合理性来减少风险。而由于紫外线消毒及相关知识的缺乏,有些设备公司由于设计不合理达不到水质要求,给用户和设备制造商带来损失。从法律和政策层面,需要国家主管部门授权的国家级机构来承担这个工作,目前在中国只有一些研究机构具备这个能力,但没有资质。 
尽管刘文君对紫外线技术应用存在的问题表示担忧,但对其未来的发展仍表现出极大的信心,他说:“我们的消毒研究中心以及合作单位正在进行深入的研究,希望对紫外线技术应用和发展中碰到的问题从技术层面加以解决,紫外线消毒模块技术的前景是光明的。” 


刘文君,清华大学环境学院教授、博士生导师。曾任饮用水安全研究所所长,现任环境学院党委副书记、全国紫外线消毒标准化委员会主任委员、国际紫外线协会(IUVA)常务理事、中国土木工程学会水工业分会秘书长、教育部留学基金委评审专家、中国工业经济联合会臭氧专业委员会专家理事、全国给水深度处理研究会理事兼秘书长。曾获2010年度国际紫外线协会最佳工程奖、2010年度第九届中国土木工程詹天佑奖、2008年度华夏奖、2008年北京市科学技术奖、2006年北京市优秀教师,入选2006年教育部新世纪优秀人才支持计划、获2003年北京国际消毒技术研讨会优秀论文一等奖、2001年全国百篇优秀博士论文称号,其领导的饮用水安全研究所获2008年度全国五一劳动奖状称号。

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