张连峰1，孙文俊2,3，敖秀玮3,4，吕东明3,5，冯爱山3,6，蔡晓涌3,7
(1.深圳清华大学研究院生态与环境保护实验室，深圳 518057；2.清华大学环境学院，北京 100084；3.中国环保机械协会紫外线专委会，北京 100825；4.北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100084；5.阿尔德拉科技有限公司，深圳 518129；6.特洁安技术公司，加拿大；7.北京安力斯环境科技股份有限公司，北京 100085)
摘要：目前，对于紫外线水消毒辐射剂量的生物验证这一概念和方法，在中文文献中（包括国家标准和行业标准）使用的术语很多，概念描述也不统一。本文对紫外线辐射剂量的生物验证有关概念、方法进行了标准和文献的溯源、讨论和分析，提出了对名词和概念进行统一的参考建议。
关键词：紫外线消毒；准平行光束仪；紫外线剂量响应曲线；生物验证剂量
中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：
Ultraviolet Dose for Water Disinfection based on Biodosimetery
ZHANG Lian-feng 1, SUN Wen-jun 2,3, AO Xiu-wei 3,4, LU Dong-ming 3,5, FENG Ai-shan 3,6, CAI Xiao-yong 3,7
(1. Laboratory of Ecology and Environmental Protection, Research Institute of Tsinghua University in Shenzhen, Shenzhen 518057, China. 2. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China. 3. Chinese Ultraviolet Association, CAMIE, Beijing 100825, China. 4. School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China. 5. Trojan Technologies Inc, Canada. 6. Ultra-Tech Co., Ltd., Shenzhen 518129, China. 7. Beijing Onyx Environmental Technology Co., Ltd., Beijing 100085, China)
Abstract: At present, for the concept and/or approach of biodosimetry of ultraviolet(UV) dose for water disinfection, various nomenclatures have been used in Chinese literatures (including national standards and industrial standards), which leads to the inconsistency of the concepts. This paper is set to discuss, analyze and summarize original concepts and methods of concern in standards and literatures, and to put forward some recommendations for unifying the Chinese nomenclature of biodosimetry, or bio-assay dose.
Keywords: Ultraviolet disinfection; Collimated beam apparatus; UV dose-response curve; Reduction equivalent dose（RED）
引言
一台紫外线水消毒设备开启后水流经该设备，流过水体中的微生物接收到了多少紫外线剂量（单位：mJ/cm2）的照射？由于紫外线水消毒效果与紫外线剂量直接相关，因此紫外线剂量验证对于紫外消毒系统的处理效果评估尤为重要。目前，生物验证法是相对最为可靠的紫外线剂量验证方法，并已被多国广泛认可和采纳作为紫外线剂量验证的标准手段。其研究证实，根据紫外线光源及反应器结构建立数学模型并结合计算流体动力学进行模拟分析计算得到的紫外线剂量与生物验证法得到的剂量结果有较好的相关性。然而，在国内，对于通过生物验证取得的紫外线剂量的概念表述和使用的名词术语有很多，据初步统计有超过十种。实际上，在紫外线消毒领域，对生物验证法结果的术语表达主要来源于对英文reduction equivalent dose （简称RED）一词的理解、翻译或表述。在我国国标《紫外线消毒技术术语》（GB/T32092-2015）[1]中则详细采用“灭活当量剂量”一词来表述RED的概念。为更好地解析生物验证法所得的紫外线剂量，本文对有关概念、方法进行了文献溯源、讨论和分析，提出了对有关术语和概念进行统一的参考建议。
1 生物验证剂量的测定方法
生物验证法是通过向紫外线消毒系统中加入受试微生物，通过测定受试微生物的灭活率，反推紫外线系统的剂量。生物验证的具体方法一般可参照我国国标《紫外线水消毒设备 紫外线剂量测试方法》（GB/T32091-2015）[2]和美国EPA相关导则等重要文献[3-6]。
生物验证剂量的测定试验包括静态试验和现场试验两部分，试验程序可概括为三个步骤。首先，在静态试验中取测试的原水，采用准平行光束仪（Collimated Beam）进行微生物紫外线剂量响应曲线（UV dose-response curve）的测定。第二步，开展现场试验，测量用全尺寸紫外线消毒系统消毒前后水体中的受试微生物数量（full-scale reactor testing），确定系统的试剂消毒效果，在这里消毒前的水样与第一步的测试水样一致。第三步，根据第二步得到的受测微生物消毒前后的测量结果，参照第一步得到的紫外线剂量响应曲线反推出全尺寸紫外消毒系统的等效紫外剂量，即灭活当量剂量。例如，图1是四种细菌或病毒的紫外线剂量响应曲线，假设生物验证的受试微生物是枯草芽孢杆菌（B. subtilis spores），从图中可以得到，减少3个log的枯草芽孢杆菌所对应的剂量是62 mJ/cm2（参照红色线）。这个62 mJ/cm2是准平行光仪的辐射剂量。如果全尺寸紫外消毒系统消毒前后水体中的枯草芽孢杆菌被减少了3个log的话，就相当于这个全尺寸紫外消毒系统对通过它的水体中的枯草芽孢杆菌辐射了当量于62 mJ/cm2的准平行光仪剂量，该去除当量剂量是通过生物测量得到，是全尺寸紫外消毒装置紫外剂量的生物测量值。
图1 辐射剂量与消毒效果的关系曲线（引自文献[5]）
Fig.1 Relation between UVdose and disinfection effect (cited from Citation[5])
需要注意的是，不同的受试微生物达到相同对数去除率时测出来的灭活当量剂量可能是不同的，即灭活当量剂量和具体的受测微生物相关。因此，国内外通用或常用的生物验证剂量的标准测定方法中都明确了对受试微生物的选择要求。一般生物验证剂量测试中常用的受试微生物包括噬菌体MS2、枯草芽孢杆菌、粪大肠杆菌等。另外，准平行光束仪是获得准确的已知辐射照度的辐射场的常用设备。其中，紫外线光束的“平行”是一种理想状态，在实际设备中实现光束的绝对平行是不可能的，因此才被称为“准”平行。目前，国际紫外线协会（IUVA）对准平行光束仪的制作标准进行了规定和建议[7]，为统一生物验证剂量测定方法、保证不同测试机构测量数据间的可比性发挥了重要作用。
2 生物验证剂量的表述
2.1 生物验证剂量在现行国家和行业标准中的术语定义和概念
在英文的相关文献资料中，生物验证的结果，即生物验证剂量的概念很清晰、统一。生物验证的英文为Biodosimetry或Bioassay，而生物验证的测定结果即表达为Reduction Equivalent Dose （简称RED）。在当前的科学文献（学术论文）中，采用的紫外线验证剂量的概念基本都是基于对RED的理解。在我国现行标准中，有四个国家标准和一个行业标准都给出了对RED的差异性的概念解释，并且部分标准还规定出了不同于“reduction equivalent dose”的对应英文术语。现对上述国家及行业标准中对RED术语的定义和表达总结如下：
（1）国家标准《紫外线消毒技术术语》（GB/T32092-2015）、《紫外线水消毒设备 紫外线剂量测试方法》（GB/T32091-2015）和《城市给排水紫外线消毒设备》（GB/T19837-2019）
以上三项国家标准中对RED的中文术语规定为“灭活当量剂量”，相应的英文术语同为“Reduction Equivalent Dose”，对RED术语给出的定义为：通过准平行光实验得到的受试微生物的剂量-反应曲线和反应器生物验证实验得到反应器的流量-灭活率关系，进而计算得到的反应器剂量。这三项标准对RED术语概念的理解和释义与相关国外技术导则、标准中的定义较为一致。
（2）国家标准《紫外线消毒器卫生要求》（GB 28235-2020）
该标准对RED的中文术语规定为“紫外线有效剂量”或“生物验证剂量”，相应的英文术语则为“ultraviolet effective dose”，对RED给出的定义为：在一定运行时间内，紫外线消毒器所能实现的微生物杀灭紫外线剂量。
（3）《环境保护产品技术要求紫外线消毒装置》（HJ 2522-2012）
该标准对RED的中文术语规定为“生物验证剂量”或“RED剂量”，相应的英文术语规定为“biodosimetry dose”或“reduction equivalent dose”，对RED给出的定义为：表征紫外线消毒装置在一定水质条件下所能实现的紫外线剂量，以每支灯管单位流量下所具有的紫外线剂量表示。
国家和行业标准在技术术语表述上对地方标准、团体标准等具有实质指导作用，但当前现行国家及行业标准中对RED中文表述和释义的不统一则容易导致对这一重要概念的混淆，不利于相关研究机构和紫外线设备企业等开展紫外线剂量验证工作。因此，对RED术语的统一表达和理解具有现实紧迫性。
2.2 生物验证剂量在中文文献中的名词表达
本文对当前中文技术标准、科技论文等中文文献中RED的名词表达进行了调研，结果表明，目前我国紫外线消毒技术研究领域对生物验证剂量有多种表述（表1）。现有中文文献中的RED名词表达可以分为两大类：（1）直接用“生物验证”表达；（2）围绕英文“reduction equivalent dose”进行单词或内容的直译、间接翻译或适当改写。目前，紫外线消毒技术领域的科技论文发表数量还尚且有限，但随着发表文献数量的持续增加，则可能还会有更多的差异性的RED名词表达。因此，统一RED的相关中文表述，对强化国内紫外线消毒技术研究的严谨性具有重要意义。
表1表述生物验证测量结果的名词
Table 1 The nouns to describe the measurement results of biodosimetry for UV water disinfection
|
序号 |
名词表达 |
文献 |
|
1 |
生物验证剂量 |
[8, 9] |
|
2 |
RED剂量 |
[8] |
|
3 |
设备紫外线有效剂量 |
[10] |
|
4 |
紫外线有效剂量 |
[9] |
|
5 |
等效生物验证剂量 |
[11, 12] |
|
6 |
等效微生物验证剂量 |
[13] |
|
7 |
等效还原剂量 |
[13] |
|
8 |
等效生物验证剂量 |
[13, 14] |
|
9 |
当量生物剂量 |
[15] |
|
10 |
当量剂量 |
[14] |
|
11 |
有效剂量 |
[14-16] |
3 讨论和建议
目前，在我国现行有关标准和科技论文等中文文献中，紫外线生物验证剂量的概念、名词术语、对应英文术语等较不统一，呈现出“百家齐放”的状态。为了便于国内紫外消毒行业内的沟通和交流，确保业内有共同的术语语言，我们建议采用《紫外线消毒技术术语》（GB/T32092-2015）中的“灭活当量剂量”的表达和释义来对应英文术语“RED”概念。特别地，RED测试结果在表述中应标明受试微生物的名称，例如某紫外线反应器在某透光率和某流量下的灭活当量剂量为40 mJ/cm2（MS2）。此外，建议紫外线反应器在投入生产使用前通过第三方测试机构进行生物验证。国内目前具有相关资质和的紫外线第三方验证中心有清华大学清华苏州环境创新研究院和山东供排水中心，能够提供具有国际认可度的紫外线设备生物验证报告。
参考文献
1 GB/T32092-2015, 紫外线消毒技术术语[S].
2 GB/T32091-2015, 紫外线水消毒设备 紫外线剂量测试方法[S].
3 孙文俊, et al., 紫外设备剂量标准化验证方法及必要性. 净水技术, 2019. 38(05): p. 1-6+24.
4 Bolton, J.R., Ultraviolet Applications Handbook 3rd version. 2013: ICC Lifelong Learn Incorporated.
5 USAEPA, UV Disinfection Guidance Manual For the Final LT2ESWTR. 2006.
6 National Water Research Institute, W.R.F., UV Guidelines 3rd Edition. 2012.
7 Beck, S. and K. Linden, Protocol for the Determination of Fluence (UV Dose) Using A Low-Pressure or Low-Pressure High-Output UV Lamp in Bench-Scale Collimated Beam Ultraviolet Experiments. IUVA News, 2015. 17: p. 11-17.
8 HJ2522-2012, 环境保护产品技术要求.紫外线消毒装置[S].
9 GB28235-2020, 紫外线消毒器卫生要求[S].
10 GB/T19837-2019, 城市给排水紫外线消毒设备[S].
11 李东, 尹新哲, and 伍前程, 紫外线消毒规范标准及验证微生物的选择. 中国给水排水, 2007(24): p. 78-83.
12 朱霞, 李鹤超, and 何唯平, 污水紫外线消毒系统生物验证研究. 节能, 2019. 38(09): p. 164-166.
13 尹新哲, 城市污水紫外线消毒等效还原剂量研究. 2007, 重庆大学.
14 李继, 张艳, and 董文艺, 紫外消毒数值模拟及生物验证. 哈尔滨工业大学学报, 2011. 43(12): p. 77-81.
15 唐玲, 基于CFD的紫外消毒模型的开发. 2008, 哈尔滨工业大学.
16 张艳, 紫外消毒模型开发与设备优化研究. 2010, 哈尔滨工业大学.