本文全面介绍了余氯消毒技术的工作原理，系统分析了纯化水机脱氯的各种方法与措施，推出了一种全新的中压多谱段紫外线脱氯技术，为余氯去除技术在纯化水机中的高效应用提供了很好的选择。

余氯消毒技术应用广泛，全世界有约80%的国家或地区均使用氯气来消毒市政自来水，通常的做法是将氯气或者二氧化氯通入到自来水中，形成具有超强的氧化能力的次氯酸和次氯酸根，从而起到杀灭多种细菌的作用。自来水中加入氯气消毒的反应原理为：Cl2 + H2O→HCl + HOCl，HOCl<---->H+ + OCl-；自来水中加入次氯酸钠消毒的反应原理为：NaOCl + H2O→NaOH + HOCl，HOCl<---->H+ + OCl-。

用于消毒的余氯主要以氯（Cl2）、次氯酸（HOCl）与次氯酸根（OClˉ）3种形式游离存在于自来水中，它们在水中的存在形式与pH有较大关系（水温为25℃时），当pH在2~7之间时，主要以次氯酸（HOCl）的形式存在；当pH低于2时，主要以氯（Cl2）的形式存在；当pH为7.4时，次氯酸（HOCl）和次氯酸根（ClO－）几乎各占50%；当pH高于7.4时，次氯酸根（ClO－）所占百分比则会逐渐增加（图1）。

图1 余氯成分与pH的关系

传统的余氯去除方法

在纯化水制备设备中，反渗透膜（RO膜）对于水质的净化至关重要，通常情况下，反渗透膜无法耐受余氯的氧化，传统方法常在预处理阶段采用活性炭过滤吸附法或NaHSO3还原法去除余氯（图2）。

图2 传统的余氯去除法

目前，活性炭去除余氯技术已成为国内使用最为广泛的余氯去除技术。活性炭过滤吸附法对水中余氯的去除效果非常有效，其工作原理为：2HOCl + C1 → CO2 + 2HCl，其中C1代表活性炭。活性炭将余氯吸附在其表面后，再依靠碳基对余氯物质的催化还原作用进行彻底反应，从而将具有氧化性的ClO－离子还原分解成不具有氧化性的氯离子和二氧化碳。在活性炭的过滤吸附过程中，活性炭总量会减少，因此，需通过定期更换活性炭来保证其脱氯效果，同时，活性炭过滤器需要有良好的运行管理与消毒措施，以免存在微生物滋生与污染的风险。

另一种传统的余氯去除方法为亚硫酸氢钠还原法，其工作原理为：2NaHSO3 + 2HOCl→H2SO4 + 2HCl + Na2SO4。采用化学加药的方式来对水中的余氯等氧化物质进行处理时，常通过安装氧化物质检测仪表（ORP仪）来控制水中亚硫酸氢钠的加药量，以确保进入下一处理单元的水中氧化物质含量已被有效还原。该加药方式的优点是成本较低、操作运行很简便，但其缺点也很鲜明：一方面，加药量通过仪表控制加药泵频率来实现，可能存在仪表探头失效和控制不稳定的风险；另一方面，由于是通过加药才能发生还原反应，大量外来化学物质的介入增加了后端纯化系统（RO/EDI系统）的处理负荷，严重时会影响RO膜的使用寿命。

图3 紫外线的类型及特性

紫外线的分类与功能

紫外线是电磁波的一种，它介于X射线和可见光之间，波长范围为5~400nm，其特性为波长越短，能量越高、穿透能力越弱；反之，波长越长，能量越低、穿透能力越强。按波长范围，紫外线可分为四段：第一段为VUV，波长介于10~200nm；第二段为UVC，波长介于200~280nm；第三段为UVB，波长介于280~315nm；第四段为UVA，波长介于315~400nm。（图3）。

常见的紫外线灯管有低压紫外灯管、汞齐紫外灯管和中压多谱段紫外灯管3种。低压紫外灯管内部填充的汞蒸汽压力小于103Pa，仅有185nm和254nm处的紫外线输出，且单只灯管功率一般小于100W；汞齐紫外灯管与低压紫外灯管类似，但单只灯管功率最高可达到500W；中压多谱段紫外灯管内部填充的汞蒸汽压力介于104~106Pa之间，且在180~400nm之间有连续的紫外线输出，单只灯管功率最高可达7000W（图4）。

图4 不同紫外灯管的光谱输出特性

紫外线在水处理行业中应用广泛，不同波长的紫外灯可用于降解TOC、分解氯胺、分解臭氧与紫外线杀菌等。185nm的紫外线灯可用于降解有机物，其主要原理为水在185nm的紫外线的照射下发生光化学反应，生成具有强氧化性的羟基自由基（.OH），它能氧化水中的一部分有机物；氯胺在水中主要分为一氯胺、二氯胺和三氯胺三种形式，它们对紫外线的吸收波长主要集中在220~360nm之间，紫外线光解还原氯胺为盐酸、氮气和氧气，典型的光解氯胺的紫外线剂量是标准紫外线消毒剂量的数倍；臭氧分子主要吸收200~300nm之间的紫外线，分解90%臭氧所需的紫外线剂量为标准紫外线消毒剂量的3~5倍，其中，中压紫外灯对臭氧分解的效率要优于低压紫外灯；紫外线照射能直接破坏微生物（细菌、病毒、真菌）的DNA结构，破坏的DNA结构阻止了微生物的正常复制，从而导致微生物死亡，足够剂量下，紫外线是一种有效的消毒方式，波长在240~280nm之间的紫外线有灭菌作用，其灭菌效果因波长而异，其中以265nm波长紫外线灭菌效果最好，这是因为细菌中的脱氧核糖核酸（DNA）的紫外吸收峰值正好在265nm处。

图5 余氯对紫外线的吸收光谱图

紫外线脱氯法

除了上述功能外，紫外线还可用于水中余氯的去除。通过紫外光作用可实现余氯100%的光解，紫外线分解余氯的原理如下：2HOCl +2hn → O2 + 2HCl；

2OCl- +2hn → O2 + 2Cl-。通常情况下，用于光解余氯的紫外线剂量是标准紫外线消毒剂量的20倍以上，余氯能否被成功去除与紫外线的照射剂量有关，原水中余氯的浓度与pH值将决定所需紫外线剂量的高低。起消毒作用的余氯主要成分为HOCl和OCl-，它们对紫外线的吸收波长主要集中在260~320nm之间（图5）。

图6 紫外线脱氯的纯化水机

与亚硫酸氢钠还原法及活性炭法这两种传统的脱氯技术相比，紫外线脱氯具有如下工艺优势：（1）高效脱除余氯的同时彻底灭活源水微生物，避免RO系统微生物污染；（2）从源头保障微生物安全，改善系统进水水质；（3）允许在线的紫外线强度监测及剂量显示，可准确预测脱氯效果；（4）占地空间小，且系统本身非常洁净，无需定期清洗和消毒；（5）无需任何化学品添加，可避免RO系统结垢问题。

同时，中压多谱段紫外线对余氯的分解效率远远优于低压单色紫外线，采用中压多谱段紫外线去除余氯可有效减少紫外灯的灯管数量，从而降低系统的初始投资成本及后续的维护成本。图6是笔者实践的一套采用紫外线去除余氯技术的纯化水机。

未来展望

紫外线脱氯技术因其众多的工艺应用优势，必将受到越来越多专业技术人员的关注与重视；同时，制药行业纯化水系统因其对微生物控制的要求严格，也将促使紫外线脱氯技术得到越来越多地普及与应用，中压多谱段紫外线技术因其自身的独特技术优势，必将成为纯化水制备行业的又一个划时代的脱氯产品。