一种矿化污水中人工甜味剂安赛蜜和三氯蔗糖的光芬顿方法与流程

本发明涉及污水净化处理技术领域，具体是涉及一种去除矿化污水中人工甜味剂安赛蜜和三氯蔗糖的光芬顿方法。

背景技术：

人工甜味剂是一种广泛应用于食品、饮料、药物和个人护理品行业的蔗糖的替代品，由于大部分人工甜味剂不会被人体降解，因此其大量进入环境水体，而污水处理厂是其主要集聚地。作为一类新型污染物，其环境生态风险研究较少，现有研究表明人工甜味剂安赛蜜(ACE)和三氯蔗糖(SUC)会对青鳉鱼、斑马鱼、大型蚤、浮萍等水生生物产生生态毒性。因此，如何在污水处理系统中有效去除人工甜味剂日益受到人们的关注。

污水的深度处理工艺作为保障污水安全排放的重要环节，研究不同的深度处理工艺对人工甜味剂去除的影响具有重要意义。目前的一些深度处理工艺中，活性炭吸附、混凝沉淀、氯化消毒对人工甜味剂只有有限的去除效果，而UV消毒仅对ACE有去除效果。臭氧高级氧化工艺在实际污水处理厂的投加剂量和接触时间下，也只能部分去除人工甜味剂。使用UV高级氧化工艺去除实际污水中的人工甜味剂尚无系统的研究。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种去除矿化污水中安赛蜜和三氯蔗糖的光芬顿方法，所述的方法是一种基于羟基自由基的去除污水中人工甜味剂的高级氧化方法。

为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来完成的：一种矿化污水中人工甜味剂安赛蜜和三氯蔗糖的光芬顿方法，所述的方法包括以下步骤：

(1)将污水依靠重力经自流管道流至二沉池，投入沉淀剂，通过二沉池进行沉淀分离；

(2)分离提取二沉池沉淀后的上清液，在分离后的上清液中加入pH调节剂调节上清液的pH为3-7，然后加入30％质量比的H₂O₂溶液，使得H₂O₂与甜味剂的摩尔浓度比为10:1-100:1，然后根据H2O2的摩尔浓度加入1/20-1/5摩尔浓度的Fe₂SO₄·7H₂O，进入光反应器中进行反应，在反应过程中通过电磁搅拌而保持反应均匀，进行UV光照10-240min，最后加入过量的质量比为1.5％的NaNO₂以终止反应；

(3)将步骤(2)的出水进行处理结果分析，然后送入接触消毒池与ClO₂反应消毒，能杀死病毒、细菌、原生生物、藻类、真菌和各种孢子及孢子形成的菌体，最后该接触消毒池的出水排至城市污水管网。

进一步的，所述的步骤(2)中优选的，加入的pH调节剂调节上清液的pH为5，加入30％质量比的H₂O₂溶液，H₂O₂与甜味剂的摩尔浓度比为100:1，然后根据H₂O₂的摩尔浓度加入1/10摩尔浓度的Fe₂SO₄·7H₂O，进入光反应器中进行反应，进行UV光照240min。

进一步的，所述的光反应器由有机玻璃制成，中间竖直放置石英管套，石英管内放置紫外灯，所述紫外灯的功率为22W，石英管壁外壁254nm处的紫外光强度为0.52uW/cm²。

进一步的，所述的pH调节剂为摩尔浓度为0.5mol/L的NaOH或高氯酸溶液。

进一步的，所述的二沉池设置有导流管以及排放口，所述的导流管口内设有滤网，所述的二沉池底部设计为锥形结构，锥形结构可以使沉淀物在重力作用下快速沉淀并排放，同时在二沉池底部设置有所述的排放口，排放口装有固液分离装置，使沉淀物高效快速排出，且能很好的控制其含水量。

进一步的，所述的沉淀剂制备方法为：在20-30℃条件下，将硫酸亚铁按照1:5的质量比溶解于纯化水中，缓慢加入混合溶液0.3倍量的浓硫酸和0.2倍的硫酸镁，搅拌均匀，得到混合溶液，升温至35-45℃，搅拌均匀30min后，得到聚合硫酸铁镁，将制备好的聚合硫酸铁镁和明矾按照3:2的质量比混合，搅拌均匀1小时后放置1-3小时，进行减压干燥，将得到的固体粉碎，过80-100目筛，即得到所述的沉淀剂，明矾化学成分为十二水合硫酸铝钾，能与水反应生成氢氧化铝，它可以吸附水里的悬浮杂质，并形成沉淀，使水澄诸，增强物理吸附沉淀效果。

本发明的有益效果是：在酸性及光照条件下通过Fe²⁺催化分解氧化剂H₂O₂，产生氧化性极强的自由基(中性条件下的氧化还原电位为2.7V)从而使污水中人工甜味剂降解矿化。较之传统的UV/H₂O₂高级氧化方法，光芬顿高级氧化方法可显著提高污染物的反应速率和矿化速率，对于ACE和SUC均有更优的去除效果，处理效果优良，能有效去除污水中的人工甜味剂，使污水处理达到要求。

本发明的优点：

1.本发明具有设备简单、操作简便、费用便宜等优点，且无污染、稳定性高。

2.本发明的方法可有效矿化污水中的ACE和SUC，使污水排放达到要求，避免了对环境的污染，处理效果更为经济。

3.弥补了目前污净化工艺的不足，改进现有技术对ACE和SUC效果差、运行不稳定缺点，填补了国内外有关水源中人工甜味剂去除技术的空白。

附图说明

图1是本发明一种矿化污水中人工甜味剂安赛蜜和三氯蔗糖的光芬顿方法的操作流程图；

图2是本发明一种矿化污水中人工甜味剂安赛蜜和三氯蔗糖的光芬顿方法的初始pH对人工甜味剂矿化率的影响(a：ACE；b：SUC)；

图3是本发明一种矿化污水中人工甜味剂安赛蜜和三氯蔗糖的光芬顿方法的氧化剂浓度对人工甜味剂矿化率的影响(a：ACE；b：SUC)；

图4是本发明一种矿化污水中人工甜味剂安赛蜜和三氯蔗糖的光芬顿方法的Fe²⁺浓度对人工甜味剂矿化率的影响(a：ACE；b：SUC)。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

本实施例是以配置的10mg/L初始浓度的ACE和SUC溶液为对象进行的，该矿化污水中人工甜味剂安赛蜜和三氯蔗糖的光芬顿方法，包括以下步骤：

(1)将污水依靠重力经自流管道流至二沉池，投入沉淀剂，通过二沉池进行沉淀分离；

(2)分离提取二沉池沉淀后的上清液，在分离后的上清液中加入pH调节剂调节上清液的pH为5，然后加入30％质量比的H₂O₂溶液，使得H₂O₂与甜味剂的摩尔浓度比为100:1，然后根据H₂O₂的摩尔浓度加入1/10摩尔浓度的Fe₂SO₄·7H₂O，进入光反应器中进行反应，在反应过程中通过电磁搅拌而保持反应均匀，进行UV光照240min，最后加入过量的质量比为1.5％的NaNO2以终止反应；

(3)将步骤(2)的出水进行处理结果分析，然后送入接触消毒池与ClO₂反应消毒，能杀死病毒、细菌、原生生物、藻类、真菌和各种孢子及孢子形成的菌体，最后该接触消毒池的出水排至城市污水管网。

其中，所述的光反应器由有机玻璃制成，中间竖直放置石英管套，石英管内放置紫外灯，所述紫外灯的功率为22W，石英管壁外壁254nm处的紫外光强度为0.52uW/cm2。所述的pH调节剂为摩尔浓度为0.5mol/L的NaOH或高氯酸溶液。所述的二沉池设置有导流管以及排放口，所述的导流管口内设有滤网，所述的二沉池底部设计为锥形结构，锥形结构可以使沉淀物在重力作用下快速沉淀并排放，同时在二沉池底部设置有所述的排放口，排放口装有固液分离装置，使沉淀物高效快速排出，且能很好的控制其含水量。所述的沉淀剂制备方法为：在25℃条件下，将硫酸亚铁按照1:5的质量比溶解于纯化水中，缓慢加入混合溶液0.3倍量的浓硫酸和0.2倍的硫酸镁，搅拌均匀，得到混合溶液，升温至40℃，搅拌均匀30min后，得到聚合硫酸铁镁，将制备好的聚合硫酸铁镁和明矾按照3:2的质量比混合，搅拌均匀1小时后放置2小时，进行减压干燥，将得到的固体粉碎，过90目筛，即得到所述的沉淀剂，明矾化学成分为十二水合硫酸铝钾，能与水反应生成氢氧化铝，它可以吸附水里的悬浮杂质，并形成沉淀，使水澄诸，增强物理吸附沉淀效果。

应当注意，本实施例中所涉及的数值范围都可以实现，篇幅所限，在此不进行端点和中间值的列举。

实验结果分析：取50ml光照后的水样用0.22um混合纤维膜过滤，过滤后存于4℃冰箱中以待后续的TOC测定。每个实验重复三次，取平均值±标准偏差进行分析。简单的实验流程如图1所示。

A)TOC测定

实验所用的TOC仪采用过硫酸盐氧化法，将样品中有机污染物全部转变成CO₂，并通过测量生成的CO₂计算水样中TOC。该方法为直接测定水中有机污染物，反应水中有机污染情况，不受无机还原性物质的干扰，能更直接客观地反映有机污染情况。

B)人工甜味剂去除率分析

实验结果为3次重复值的平均数±标准误差(Mean±SDE)，使用SPSS16.0统计软件和单边ANOVA法对组间数据进行差异性显著分析。人工甜味剂的去除率＝(1-TOC_t/TOC₀)×100％，TOC₀为甜味剂溶液的初始TOC，TOC_t为反应时间t时的TOC，测定的人工甜味剂为ACE和SUC。

经分析可知：

1、初始pH对目标污染物矿化率的影响

图2显示了初始pH对目标污染物矿化率的影响情况，如图所示，当H₂O₂与甜味剂的摩尔浓度比为100:1时，Fe²⁺浓度为H₂O₂的1/10时，使用22W低压汞灯照射240min时，当溶液的初始pH值为3和5时，该AOP方法对ACE和SUC的矿化效果要显著优于pH＝7的工艺效果，但pH＝3和5时的矿化效果没有显著性差异。考虑到ACE和SUC的水溶液均为弱酸性，以及实际工艺中调节废水pH的生产成本，选择pH＝5为较优的工艺条件。

2、H₂O₂与甜味剂的摩尔浓度比对目标污染物矿化率的影响

如图3所示，当pH＝5，Fe²⁺浓度为甜味剂浓度的10倍时，H₂O₂与甜味剂的摩尔浓度分别为10:1，50:1，100:1时，使用22W低压汞灯照射240min时，H2O2与甜味剂的摩尔浓度在10:1-100:1时，随着氧化剂浓度的增加，ACE和SUC的矿化程度均增加。降解SUC时，增加氧化剂投加量对矿化效果的提高更为显著，SUC矿化率可从10％提高到75％左右。本实验中Fe²⁺为催化剂，因此H₂O₂浓度为矿化速率的主要限制因素。在本实验条件下，选择100倍氧化剂投加量为最优投加量。

3、Fe²⁺浓度对人工甜味剂矿化率的影响

如图4所示，当pH＝5，H₂O₂与甜味剂的摩尔浓度分别为100:1时，加入Fe²⁺的摩尔浓度为H₂O₂的1/10，使用22W低压汞灯照射240min时。当Fe²⁺浓度从1/20增加到1/10时，ACE和SUC的矿化率都随之提高，继续增加Fe²⁺的摩尔浓度不会显著提高ACE和SUC的矿化速率。这与传统芬顿工艺中Fe²⁺选择为氧化剂投加量的1/10相吻合。因此，在本实验条件下，选择1/10氧化剂摩尔浓度投加量为Fe²⁺最优投加量。

综上所述，本发明的方法可有效去除污水中的人工甜味剂，本发明方法中的各种组分和参数均是最佳选择，可实现本发明方法的最有效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。