一種礦化汙水中人工甜味劑安賽蜜和三氯蔗糖的光芬頓方法與流程
2023-07-31 18:26:26
本發明涉及汙水淨化處理技術領域，具體是涉及一種去除礦化汙水中人工甜味劑安賽蜜和三氯蔗糖的光芬頓方法。
背景技術：
人工甜味劑是一種廣泛應用於食品、飲料、藥物和個人護理品行業的蔗糖的替代品，由於大部分人工甜味劑不會被人體降解，因此其大量進入環境水體，而汙水處理廠是其主要集聚地。作為一類新型汙染物，其環境生態風險研究較少，現有研究表明人工甜味劑安賽蜜(ACE)和三氯蔗糖(SUC)會對青鱂魚、斑馬魚、大型蚤、浮萍等水生生物產生生態毒性。因此，如何在汙水處理系統中有效去除人工甜味劑日益受到人們的關注。
汙水的深度處理工藝作為保障汙水安全排放的重要環節，研究不同的深度處理工藝對人工甜味劑去除的影響具有重要意義。目前的一些深度處理工藝中，活性炭吸附、混凝沉澱、氯化消毒對人工甜味劑只有有限的去除效果，而UV消毒僅對ACE有去除效果。臭氧高級氧化工藝在實際汙水處理廠的投加劑量和接觸時間下，也只能部分去除人工甜味劑。使用UV高級氧化工藝去除實際汙水中的人工甜味劑尚無系統的研究。
技術實現要素：
為解決現有技術存在的不足，本發明的目的在於提供一種去除礦化汙水中安賽蜜和三氯蔗糖的光芬頓方法，所述的方法是一種基於羥基自由基的去除汙水中人工甜味劑的高級氧化方法。
為實現上述目的，本發明是通過如下技術方案來完成的：一種礦化汙水中人工甜味劑安賽蜜和三氯蔗糖的光芬頓方法，所述的方法包括以下步驟：
(1)將汙水依靠重力經自流管道流至二沉池，投入沉澱劑，通過二沉池進行沉澱分離；
(2)分離提取二沉池沉澱後的上清液，在分離後的上清液中加入pH調節劑調節上清液的pH為3-7，然後加入30％質量比的H2O2溶液，使得H2O2與甜味劑的摩爾濃度比為10:1-100:1，然後根據H2O2的摩爾濃度加入1/20-1/5摩爾濃度的Fe2SO4·7H2O，進入光反應器中進行反應，在反應過程中通過電磁攪拌而保持反應均勻，進行UV光照10-240min，最後加入過量的質量比為1.5％的NaNO2以終止反應；
(3)將步驟(2)的出水進行處理結果分析，然後送入接觸消毒池與ClO2反應消毒，能殺死病毒、細菌、原生生物、藻類、真菌和各種孢子及孢子形成的菌體，最後該接觸消毒池的出水排至城市汙水管網。
進一步的，所述的步驟(2)中優選的，加入的pH調節劑調節上清液的pH為5，加入30％質量比的H2O2溶液，H2O2與甜味劑的摩爾濃度比為100:1，然後根據H2O2的摩爾濃度加入1/10摩爾濃度的Fe2SO4·7H2O，進入光反應器中進行反應，進行UV光照240min。
進一步的，所述的光反應器由有機玻璃製成，中間豎直放置石英管套，石英管內放置紫外燈，所述紫外燈的功率為22W，石英管壁外壁254nm處的紫外光強度為0.52uW/cm2。
進一步的，所述的pH調節劑為摩爾濃度為0.5mol/L的NaOH或高氯酸溶液。
進一步的，所述的二沉池設置有導流管以及排放口，所述的導流管口內設有濾網，所述的二沉池底部設計為錐形結構，錐形結構可以使沉澱物在重力作用下快速沉澱並排放，同時在二沉池底部設置有所述的排放口，排放口裝有固液分離裝置，使沉澱物高效快速排出，且能很好的控制其含水量。
進一步的，所述的沉澱劑製備方法為：在20-30℃條件下，將硫酸亞鐵按照1:5的質量比溶解於純化水中，緩慢加入混合溶液0.3倍量的濃硫酸和0.2倍的硫酸鎂，攪拌均勻，得到混合溶液，升溫至35-45℃，攪拌均勻30min後，得到聚合硫酸鐵鎂，將製備好的聚合硫酸鐵鎂和明礬按照3:2的質量比混合，攪拌均勻1小時後放置1-3小時，進行減壓乾燥，將得到的固體粉碎，過80-100目篩，即得到所述的沉澱劑，明礬化學成分為十二水合硫酸鋁鉀，能與水反應生成氫氧化鋁，它可以吸附水裡的懸浮雜質，並形成沉澱，使水澄諸，增強物理吸附沉澱效果。
本發明的有益效果是：在酸性及光照條件下通過Fe2+催化分解氧化劑H2O2，產生氧化性極強的自由基(中性條件下的氧化還原電位為2.7V)從而使汙水中人工甜味劑降解礦化。較之傳統的UV/H2O2高級氧化方法，光芬頓高級氧化方法可顯著提高汙染物的反應速率和礦化速率，對於ACE和SUC均有更優的去除效果，處理效果優良，能有效去除汙水中的人工甜味劑，使汙水處理達到要求。
本發明的優點：
1.本發明具有設備簡單、操作簡便、費用便宜等優點，且無汙染、穩定性高。
2.本發明的方法可有效礦化汙水中的ACE和SUC，使汙水排放達到要求，避免了對環境的汙染，處理效果更為經濟。
3.彌補了目前汙淨化工藝的不足，改進現有技術對ACE和SUC效果差、運行不穩定缺點，填補了國內外有關水源中人工甜味劑去除技術的空白。
附圖說明
圖1是本發明一種礦化汙水中人工甜味劑安賽蜜和三氯蔗糖的光芬頓方法的操作流程圖；
圖2是本發明一種礦化汙水中人工甜味劑安賽蜜和三氯蔗糖的光芬頓方法的初始pH對人工甜味劑礦化率的影響(a：ACE；b：SUC)；
圖3是本發明一種礦化汙水中人工甜味劑安賽蜜和三氯蔗糖的光芬頓方法的氧化劑濃度對人工甜味劑礦化率的影響(a：ACE；b：SUC)；
圖4是本發明一種礦化汙水中人工甜味劑安賽蜜和三氯蔗糖的光芬頓方法的Fe2+濃度對人工甜味劑礦化率的影響(a：ACE；b：SUC)。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明作進一步說明。
本實施例是以配置的10mg/L初始濃度的ACE和SUC溶液為對象進行的，該礦化汙水中人工甜味劑安賽蜜和三氯蔗糖的光芬頓方法，包括以下步驟：
(1)將汙水依靠重力經自流管道流至二沉池，投入沉澱劑，通過二沉池進行沉澱分離；
(2)分離提取二沉池沉澱後的上清液，在分離後的上清液中加入pH調節劑調節上清液的pH為5，然後加入30％質量比的H2O2溶液，使得H2O2與甜味劑的摩爾濃度比為100:1，然後根據H2O2的摩爾濃度加入1/10摩爾濃度的Fe2SO4·7H2O，進入光反應器中進行反應，在反應過程中通過電磁攪拌而保持反應均勻，進行UV光照240min，最後加入過量的質量比為1.5％的NaNO2以終止反應；
(3)將步驟(2)的出水進行處理結果分析，然後送入接觸消毒池與ClO2反應消毒，能殺死病毒、細菌、原生生物、藻類、真菌和各種孢子及孢子形成的菌體，最後該接觸消毒池的出水排至城市汙水管網。
其中，所述的光反應器由有機玻璃製成，中間豎直放置石英管套，石英管內放置紫外燈，所述紫外燈的功率為22W，石英管壁外壁254nm處的紫外光強度為0.52uW/cm2。所述的pH調節劑為摩爾濃度為0.5mol/L的NaOH或高氯酸溶液。所述的二沉池設置有導流管以及排放口，所述的導流管口內設有濾網，所述的二沉池底部設計為錐形結構，錐形結構可以使沉澱物在重力作用下快速沉澱並排放，同時在二沉池底部設置有所述的排放口，排放口裝有固液分離裝置，使沉澱物高效快速排出，且能很好的控制其含水量。所述的沉澱劑製備方法為：在25℃條件下，將硫酸亞鐵按照1:5的質量比溶解於純化水中，緩慢加入混合溶液0.3倍量的濃硫酸和0.2倍的硫酸鎂，攪拌均勻，得到混合溶液，升溫至40℃，攪拌均勻30min後，得到聚合硫酸鐵鎂，將製備好的聚合硫酸鐵鎂和明礬按照3:2的質量比混合，攪拌均勻1小時後放置2小時，進行減壓乾燥，將得到的固體粉碎，過90目篩，即得到所述的沉澱劑，明礬化學成分為十二水合硫酸鋁鉀，能與水反應生成氫氧化鋁，它可以吸附水裡的懸浮雜質，並形成沉澱，使水澄諸，增強物理吸附沉澱效果。
應當注意，本實施例中所涉及的數值範圍都可以實現，篇幅所限，在此不進行端點和中間值的列舉。
實驗結果分析：取50ml光照後的水樣用0.22um混合纖維膜過濾，過濾後存於4℃冰箱中以待後續的TOC測定。每個實驗重複三次，取平均值±標準偏差進行分析。簡單的實驗流程如圖1所示。
A)TOC測定
實驗所用的TOC儀採用過硫酸鹽氧化法，將樣品中有機汙染物全部轉變成CO2，並通過測量生成的CO2計算水樣中TOC。該方法為直接測定水中有機汙染物，反應水中有機汙染情況，不受無機還原性物質的幹擾，能更直接客觀地反映有機汙染情況。
B)人工甜味劑去除率分析
實驗結果為3次重複值的平均數±標準誤差(Mean±SDE)，使用SPSS16.0統計軟體和單邊ANOVA法對組間數據進行差異性顯著分析。人工甜味劑的去除率＝(1-TOCt/TOC0)×100％，TOC0為甜味劑溶液的初始TOC，TOCt為反應時間t時的TOC，測定的人工甜味劑為ACE和SUC。
經分析可知：
1、初始pH對目標汙染物礦化率的影響
圖2顯示了初始pH對目標汙染物礦化率的影響情況，如圖所示，當H2O2與甜味劑的摩爾濃度比為100:1時，Fe2+濃度為H2O2的1/10時，使用22W低壓汞燈照射240min時，當溶液的初始pH值為3和5時，該AOP方法對ACE和SUC的礦化效果要顯著優於pH＝7的工藝效果，但pH＝3和5時的礦化效果沒有顯著性差異。考慮到ACE和SUC的水溶液均為弱酸性，以及實際工藝中調節廢水pH的生產成本，選擇pH＝5為較優的工藝條件。
2、H2O2與甜味劑的摩爾濃度比對目標汙染物礦化率的影響
如圖3所示，當pH＝5，Fe2+濃度為甜味劑濃度的10倍時，H2O2與甜味劑的摩爾濃度分別為10:1，50:1，100:1時，使用22W低壓汞燈照射240min時，H2O2與甜味劑的摩爾濃度在10:1-100:1時，隨著氧化劑濃度的增加，ACE和SUC的礦化程度均增加。降解SUC時，增加氧化劑投加量對礦化效果的提高更為顯著，SUC礦化率可從10％提高到75％左右。本實驗中Fe2+為催化劑，因此H2O2濃度為礦化速率的主要限制因素。在本實驗條件下，選擇100倍氧化劑投加量為最優投加量。
3、Fe2+濃度對人工甜味劑礦化率的影響
如圖4所示，當pH＝5，H2O2與甜味劑的摩爾濃度分別為100:1時，加入Fe2+的摩爾濃度為H2O2的1/10，使用22W低壓汞燈照射240min時。當Fe2+濃度從1/20增加到1/10時，ACE和SUC的礦化率都隨之提高，繼續增加Fe2+的摩爾濃度不會顯著提高ACE和SUC的礦化速率。這與傳統芬頓工藝中Fe2+選擇為氧化劑投加量的1/10相吻合。因此，在本實驗條件下，選擇1/10氧化劑摩爾濃度投加量為Fe2+最優投加量。
綜上所述，本發明的方法可有效去除汙水中的人工甜味劑，本發明方法中的各種組分和參數均是最佳選擇，可實現本發明方法的最有效果。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬於本發明技術方案的保護範圍。