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高濃度富里酸在臭氧體系中的降解特性

2017-03-05 05:01張愛平陳煒鳴施國中
環(huán)境科學(xué)研究 2017年3期
關(guān)鍵詞:腐殖質(zhì)反應(yīng)時間羥基

張愛平,李 民,陳煒鳴,施國中,賀 莉

1.四川師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,四川成都 610068

2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室,四川成都 610041

3.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川成都 611756

4.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所,四川成都610041

高濃度富里酸在臭氧體系中的降解特性

張愛平1,2,李 民1,陳煒鳴3,施國中2,4,賀 莉2,4

1.四川師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,四川成都 610068

2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室,四川成都 610041

3.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川成都 611756

4.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所,四川成都610041

為了解高濃度富里酸在臭氧體系中的降解特性,采用了高效且反應(yīng)條件溫和的臭氧法處理高濃度富里酸模擬廢水,并采用紫外-可見吸收光譜和三維熒光光譜,研究了臭氧降解高濃度富里酸的特性與原理.結(jié)果表明:在初始pH為8.0、臭氧投加量(以ρ計)為65.00 mg L的條件下,反應(yīng)30 min后色度、富里酸、CODCr的去除率分別為82.16%、43.28%、26.73%;臭氧利用率從反應(yīng)2 min時的72.52%降至30 min時的18.15%,B C〔ρ(BOD5) ρ(CODCr)〕由進水的0.27升至0.61,ρ(HCO3-)由初始的42.2 mg L增至502.6 mg L,說明小分子有機物的不斷生成和礦化使得模擬廢水可生化性大幅提高.紫外-可見吸收光譜分析表明,臭氧能使富里酸模擬廢水中易降解物質(zhì)成分增多、富里酸的結(jié)構(gòu)趨于簡單.三維熒光光譜表明,臭氧能有效降解大分子富里酸類物質(zhì),并較快速地使小分子色氨酸被氧化,隨著反應(yīng)的持續(xù)進行,富里酸的腐殖化程度逐漸降低.

環(huán)境;富里酸;臭氧;紫外-可見光譜;三維熒光光譜

腐殖質(zhì)是一類大分子難降解有機物,廣泛存在于土壤和天然水體中[1].高濃度腐殖質(zhì)廢水會嚴重污染生態(tài)環(huán)境,使水體發(fā)黑發(fā)臭[2],腐殖質(zhì)還是飲用水中DBPs(disinfection by-products,消毒副產(chǎn)物)的重要前驅(qū)物[3].不僅如此,腐殖質(zhì)的各種復(fù)雜基團可與多種重金屬離子絡(luò)合[4],不僅增強了重金屬的生物毒性,還會影響重金屬的遷移和去除[5].腐殖質(zhì)在老齡垃圾滲濾液、滲濾液濃縮液中的含量均較高,常被學(xué)者們作為難降解有機物的典型來研究[6-8].垃圾滲濾液中含有的難降解有機物主要為中等分子量的水溶性腐殖質(zhì),主要由腐殖酸和富里酸組成.

常用的腐殖質(zhì)類廢水處理方法包括混凝沉淀法、高級氧化法[9-12]、膜分離法和吸附法等[13].混凝沉淀法雖然成本較低,能去除腐殖質(zhì)類廢水中大部分有機污染物,但伴有大量的化學(xué)污泥產(chǎn)生.吸附法適用于水質(zhì)變化較大的廢水,并且對各類污染物均有較好的去除效果,但該法由于成本較高多作為腐殖質(zhì)類廢水的深度處理方式.膜分離法能較好地分離各類污染物,但存在后期運行成本高和膜污染的問題.高級氧化法主要包括臭氧氧化、濕式氧化法和光催化氧化法等.其中臭氧是一種綠色氧化劑,具有高效、經(jīng)濟、反應(yīng)條件溫和、操作簡便等特點,被廣泛應(yīng)用于特種有機廢水的降解.以臭氧為代表的高級氧化法在難降解有機廢水的處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,已成為國內(nèi)外廢水處理研究領(lǐng)域的熱點課題.鄭可[14]對臭氧降解滲濾液濃縮液的效果和動力學(xué)進行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),臭氧法對腐殖質(zhì)類廢水有較好的處理效果,并為后續(xù)生物處理提供可能,但滲濾液濃縮液是一種有機-無機復(fù)合型污染廢水,其中腐殖質(zhì)類物質(zhì)在臭氧體系的轉(zhuǎn)化原理對于處理效能以及后續(xù)的處理工藝的設(shè)計十分重要.

鑒于此,該研究以腐殖質(zhì)中水溶性較好的富里酸為研究對象,通過臭氧處理富里酸模擬廢水,探討了臭氧與產(chǎn)生的羥基自由基對富里酸去除的共同氧化作用,并利用離子色譜、紫外-可見光譜、三維熒光光譜解析富里酸的去除過程和原理,以期為臭氧法處理高濃度難降解廢水的工藝研究提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

ICS-1100 離 子 色 譜 儀 (美 國 IDEAL); HORIBAAqualog-UV-800C三維熒光光譜儀(日本掘場);Lambda 950紫外-可見光譜儀(美國 Perkin-Elmer);KT-5G臭氧發(fā)生器(上??堤丨h(huán)??萍加邢薰?;UV-200T臭氧濃度在線分析儀(美國IDEAL)及配套的臭氧破壞器;HI6828多參數(shù)水質(zhì)分析儀(意大利哈納);APLMD-6型微波快速COD測定儀(中國奧譜勒);pHS-3C+酸度計(成都方舟).

濃硫酸、硫酸亞鐵銨、鄰菲啰啉、重鉻酸鉀、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸汞、硫酸銀、氯化鋇、過硫酸鈉等均為分析純.富里酸為aladdin試劑,F(xiàn)A活性官能團總酸基為9~10 meg g,其CAS(chemical abstracts service)號為1415-93-6.

1.2 模擬廢水的配置

稱取一定量的富里酸,用少量0.05 mol L的氫氧化鈉使之溶解,經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后,用0.01 mol L氫氧化鈉調(diào)節(jié)富里酸母液的pH至8.00±0.50,然后加入二級反滲透水定容,配制2.00 g L的富里酸溶液備用.ρ(富里酸)在一定范圍內(nèi)與UV254(254 nm處的吸光度)呈線性關(guān)系,標準曲線為

1.3 試驗方法

試驗裝置見圖1.調(diào)節(jié)富里酸模擬廢水初始pH 為8.0,取2 000 mL富里酸模擬廢水至反應(yīng)器中,通過調(diào)節(jié)純氧流量,控制臭氧投加量(以ρ計)為65.00 mg L,在反應(yīng)2、5、10、15、20、25和30 min時分別在出水口移取樣品10 mL,調(diào)節(jié)樣品pH為8.0,置于50℃的水浴鍋中加熱并攪拌30 min,以消除殘余臭氧對測試分析的影響,待樣品冷卻至室溫時進行污染物指標的測試分析.

1.4 分析方法

pH采用玻璃電極法測定;ρ(CODCr)采用重鉻酸鉀法測定;ρ(BOD5)采用稀釋與接種法測定[15]; ρ(富里酸)采用 UV254進行表征;ρ(CO32-) 與ρ(HCO3

-)采用離子色譜法測定;ρ(臭氧)采用紫外分光光度法在線監(jiān)測.

臭氧利用率(η)通過式(2)進行計算.

式中:65為輸入 ρ(臭氧),mg L;C為尾氣中ρ(臭氧),mg L.

將消除臭氧干擾后的樣品過0.45 μm濾膜,并用二級反滲透超純水稀釋25倍后進行三維熒光光譜和紫外-可見光譜分析測定.三維熒光光譜的固定激發(fā)波長狹縫為3 nm,掃描速率為2 400 nm min,λEx(激發(fā)波長)為239~550 nm,λEm(發(fā)射波長)為250~650 nm.圖譜的繪制、等高線設(shè)置等采用Origin 9.0軟件進行處理.紫外-可見光譜的掃描范圍為210~550 nm,步長為1.0 nm.

色度(CN)的計算公式[16]:

式中,A436、A525、A620分別表示在436、525和620 nm處的吸光度.

2 結(jié)果與討論

2.1 羥基自由基分析

為考察臭氧體系中臭氧與羥基自由基的氧化作用,在模擬廢水中加入400 mg L的分子探針——TBA(叔丁醇),以消除羥基自由基的作用,考察添加TBA和不添加TAB情況下富里酸去除率的變化,結(jié)果見圖2.由圖2可見,反應(yīng)30 min時添加TBA組富里酸去除率由不添加TBA的43.28%降至31.88%,并且當反應(yīng)時間由2 min延長至30 min時,添加TBA組富里酸去除率與未添加TAB組的差距由0.32%增至10.50%.可見,臭氧體系中富里酸的去除機制為臭氧與羥基自由基的共同氧化作用,同時在反應(yīng)后期,羥基自由基對有機污染物的降解作用有明顯增大的趨勢.

2.2 臭氧利用率與污染物去除率分析

由圖3可見,隨著反應(yīng)時間的延長,臭氧利用率呈下降趨勢.反應(yīng)2 min時臭氧利用率為72.52%,反應(yīng)30 min時臭氧利用率降至18.15%.究其原因,反應(yīng)前期ρ(富里酸)較高而中間產(chǎn)物較少,有利于富里酸與臭氧反應(yīng)的進行;而隨反應(yīng)進程的推進,ρ(富里酸)降低,臭氧化惰性中間體增多,這些降解產(chǎn)物的增多與臭氧反應(yīng)速率的降低,導(dǎo)致臭氧利用率的持續(xù)下降.

色度、富里酸和CODCr的去除率均隨反應(yīng)時間的延長而增大,并且與反應(yīng)時間呈線性正相關(guān);在反應(yīng)時間為30 min時,呈色度去除率(82.16%)>富里酸去除率(43.28%)>CODCr去除率(26.73%)的關(guān)系,并且三者近似呈正相關(guān),這表明在反應(yīng)過程中,富里酸類物質(zhì)的顯色基團首先被攻擊,生色團中不飽和鍵發(fā)生的1,3偶極環(huán)加成反應(yīng)較為劇烈,羥基自由基再將大分子有機物氧化為小分子有機物,這與鄭可[14]的研究結(jié)果一致.

隨反應(yīng)時間的延長,富里酸模擬廢水中會逐漸積累惰性產(chǎn)物,如羧酸類中間產(chǎn)物,該類物質(zhì)在酸性條件下以分子形態(tài)存在,并且分子內(nèi)和分子間存在氫鍵作用,導(dǎo)致反應(yīng)阻力加大,反應(yīng)速率降低[17-18].隨著反應(yīng)的持續(xù)進行,由于ρ(富里酸)及pH的不斷降低和羧酸類中間產(chǎn)物的不斷增加,導(dǎo)致臭氧的利用率及其對富里酸去除的貢獻越來越低;而由于羥基自由基具有無選擇氧化性,因此在反應(yīng)后期羥基自由基對富里酸去除的貢獻越來越大.在一定反應(yīng)時間內(nèi),雖臭氧利用率呈下降趨勢,但是臭氧產(chǎn)生的羥基自由基的強氧化性足以維持污染物的去除率呈增大趨勢.

2.3 可生化性與污染物礦化程度分析

通過模擬富里酸廢水的可生化性隨反應(yīng)時間的變化(見圖4)和最終礦化生成的碳酸根和碳酸氫根離子與體系pH隨反應(yīng)時間的變化(見圖5),可以剖析富里酸模擬廢水中污染物的去除過程.由于臭氧處理富里酸廢水的出水pH為5.8,此時廢水中礦化產(chǎn)生的碳酸幾乎全部以HCO3-的形式存在,用離子色譜儀也未檢測到CO32-的存在,故僅分析體系中ρ(HCO3

-)隨反應(yīng)時間的變化.由圖4可見,隨反應(yīng)時間的延長,模擬廢水可生化性逐漸改善,其B C 〔ρ(BOD5) ρ(CODCr)〕隨反應(yīng)時間的延長而逐漸增大,反應(yīng)30 min后,B C由進水的0.27升至0.61,可見臭氧和產(chǎn)生的羥基自由基能將富里酸類大分子難降解有機物降解為中間產(chǎn)物,這些中間產(chǎn)物可能更有利于微生物的降解和利用.

由圖5可見,隨反應(yīng)時間的延長,模擬廢水中ρ(HCO3-)保持增大的趨勢且pH呈持續(xù)下降的趨勢.反應(yīng)前5 min,ρ(HCO3-)呈直線上升的趨勢;而在反應(yīng)30 min時,ρ(HCO3-)由原液中的42.2 mg L增至502.6 mg L,增加了460.4 mg L,這是由于臭氧及其產(chǎn)生的羥基自由基對體系中的大分子有機污染物有較強的氧化作用所致;另一方面,可能是由于富里酸降解后產(chǎn)生了一些有機小分子酸,使得模擬廢水的pH持續(xù)降低.

2.4 紫外-可見光譜分析

富里酸的吸收光譜由多種價電子的能級躍遷類型產(chǎn)生,故采用紫外-可見光譜對臭氧降解富里酸的光譜特性進行分析,結(jié)果如圖6所示.從圖6可見,在210~250 nm范圍的高吸光度值,表明K吸收帶的存在,即存在共軛的兩個不飽和鍵;在250~290 nm范圍的中等強度的吸光度值,顯示雜芳環(huán)的存在;在290~350 nm范圍一定強度的吸光度值,說明羰基或共軛基的存在;在300 nm以上也存一定的吸光度值,說明該水樣存在較大的共軛體系的化合物,特別是不飽和化合物及芳香化合物的共軛體系π-π*躍遷所產(chǎn)生的K吸收帶,吸收強度大、范圍廣.由此可知,富里酸結(jié)構(gòu)復(fù)雜,包含了醌基、酚基、芳香族脂肪酸和葡萄糖基團以及較多的雜芳環(huán)化合物.

LU等[19-20]分別將 UV254和 UV280作為特征吸光度值,用于表征有機質(zhì)的芳香性程度,其值越小,芳香性程度越低;將腐殖質(zhì)的E300E400(表征腐殖化程度和分子聚合度[21])作為特征吸光度值,其值越大,腐殖化程度越低.由圖7可見,UV254和UV280隨反應(yīng)時間增加而逐漸降低,富里酸模擬廢水經(jīng)臭氧處理30 min后,UV254由進水的1.436 4逐漸降至1.145 0,UV280由進水的1.409 7逐漸降至0.954 8,說明臭氧氧化法可以極大程度降低富里酸的芳香性.E300E400隨反應(yīng)時間延長而逐漸增加,經(jīng)臭氧處理30 min后,E300E400由進水的4.653 7逐漸升至7.290 7,說明富里酸模擬廢水被臭氧處理后腐殖化程度逐漸降低.結(jié)合E300E400和UV254分析可知,富里酸的腐殖化程度與芳香性程度呈正相關(guān),這與劉國強[22]的相關(guān)研究結(jié)果基本一致.由圖6還可以看出,進水在波長為260 nm處有明顯的肩峰,隨反應(yīng)時間的延長,肩峰逐漸減弱,表明模擬廢水中易降解物質(zhì)成分增多、富里酸的結(jié)構(gòu)趨于簡單.

2.5 三維熒光光譜

三維熒光光譜檢測常用于分析腐殖質(zhì)中π-π*共軛雙鍵的芳香類化合物,該研究中采用三維熒光光譜分析臭氧體系中含芳香類化合物富里酸的降解過程,結(jié)果如圖8所示.由圖8可見,富里酸模擬廢水的三維熒光光譜中主要存在三個發(fā)光區(qū)域,分別為Flu1 (λExλEm=310~360 nm 370~450 nm),即可見光區(qū)類富里酸熒光;Flu2(λExλEm=270~290 nm、220~230 nm 320~350 nm),即高、低激發(fā)波長類色氨酸熒光;Flu3(λExλEm=235~255 nm 410~450 nm),即紫外區(qū)類富里酸熒光[23].

由圖8可知,模擬富里酸廢水的三維熒光光譜中主要有主峰peak1(λExλEm為359 nm 425 nm)和側(cè)峰peak2(λExλEm為272 nm 343 nm)、peak3(λExλEm為245 nm 439 nm)3個熒光峰,分別代表可見光區(qū)類富里酸、高λEx類色氨酸和紫外區(qū)類富里酸,其峰強分別達到706 7、187 2和333 9.Baker[24]指出,紫外區(qū)類富里酸熒光主要由低分子量、高熒光效率的有機物引起;可見區(qū)類富里酸熒光則是由相對穩(wěn)定、高分子量的芳香性類物質(zhì)產(chǎn)生.該模擬廢水在可見區(qū)類富里酸熒光產(chǎn)生了較大的熒光強度,表明該模擬廢水能代表富里酸類難降解廢水.在反應(yīng)時間為15 min時,peak1的峰強明顯降低,峰的位置明顯藍移(λExλEm由359 nm 425 nm藍移至338 nm 416 nm),說明難降解的可見區(qū)類富里酸能較快地被臭氧氧化,并且富里酸的分子結(jié)構(gòu)能較快地被破壞,使得富里酸分子的縮合度、芳香度和腐殖化程度均有所降低.而peak2的去除率大于其他兩類物質(zhì)且經(jīng)臭氧處理60 min后消失,說明高λEx類色氨酸與臭氧的反應(yīng)速率較富里酸更快,更易被氧化.

Patel-Sorrentino等[25]指出,r(1 2)(紫外區(qū)類富里酸的峰強I1與可見區(qū)類富里酸的峰值I2的比值)可有效反映有機物的官能結(jié)構(gòu)及腐殖化程度,一般認為r(1 2)越小富里酸的腐殖化程度越低.反應(yīng)0、15、30、60 min時,r(1 2)分別為2.116 5、1.987 0、1.878 9、1.608 7,其數(shù)值關(guān)系符合 r(1 2)60 min< r(1 2)30 min<r(1 2)15 min<r(1 2)進水,這說明隨反應(yīng)的持續(xù)進行,富里酸的腐殖化程度逐漸降低.

綜合分析臭氧降解富里酸前后的熒光指標可知,富里酸模擬廢水經(jīng)臭氧處理后體系π電子系統(tǒng)發(fā)生變化,即富里酸中芳香環(huán)減少并被逐漸氧化為小分子物質(zhì).因此臭氧能有效降解大分子富里酸類物質(zhì),較為快速地使小分子色氨酸被氧化.

3 結(jié)論

a)高濃度富里酸在臭氧體系中的去除是由臭氧及其產(chǎn)生的羥基自由基的共同氧化作用所致,反應(yīng)歷程:富里酸類物質(zhì)的顯色基團首先被攻擊,羥基自由基再將大分子有機物氧化為小分子有機物.

b)隨反應(yīng)時間的延長,臭氧利用率呈下降趨勢.在初始pH為8.0、臭氧投加量(以ρ計)為65.00 mg L的條件下,反應(yīng)30 min時臭氧利用率從反應(yīng)2 min時的72.52%降至18.15%;但在羥基自由基的強氧化作用下,污染物去除率保持增大的趨勢,反應(yīng)30 min后色度、富里酸、CODCr的去除率分別為82.16%、43.28%、26.73%;B C由進水的0.27升至0.61,ρ(HCO3-)由反應(yīng)前的42.2 mg L增至502.6 mg L.

c)紫外-可見吸收光譜分析表明,臭氧能使富里酸模擬廢水中易降解物質(zhì)成分增多、富里酸的結(jié)構(gòu)趨于簡單;三維熒光光譜表明,臭氧能有效降解大分子富里酸類物質(zhì),并較快速地使小分子色氨酸被氧化,隨反應(yīng)的持續(xù)進行,富里酸的腐殖化程度逐漸降低.

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Decomposition Characteristics of High Fulvic Acid based on Ozone System

ZHANG Aiping1,2,LI Min1,CHEN Weiming3,SHI Guozhong2,4,HE Li2,4
1.Chemistry and Material Science of Sichuan Normal University,Chengdu 610068,China
2.Key Laboratory of Development and Application of Rural Renewable Energy,Ministry of Agriculture,Chengdu 610041,China
3.Geosciences and Environmental Engineering of Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China
4.Biogas Institute of Ministry of Agriculture,Chengdu 610041,China

In order to determine the degradation properties of high-concentrated fluvic acid in an ozone system,an effective ozone oxidation method of mild conditions was used to decompose simulated high concentration fulvic acid wastewater.The characteristics and mechanism were investigated by UV-Vis and 3D-EEM spectra.With initial pH of 8.0 and ozone dosage of 65.00 mg L,the removal efficiencies of CN,F(xiàn)A and COD reached 82.16%,43.28%and 26.73%after 30 min,respectively.When the reaction time was prolonged from 2 to 30 min,the utilization rate of ozone was decreased from 72.52%to 18.15%.The ratio of B C(ρ(BOD5) ρ(CODCr))was increased from 0.27 to 0.61,and the ρ(HCO3-)was increased from 42.2 to 502.6 mg L.The results demonstrated that the continuous generation andmineralization of small organic molecules greatly improved the biodegradability of the simulated wastewater.UV-Vis spectra analysis indicated that ozone could increase the concentration of biodegradable substances and simplify the molecular structure of fulvic acid.3DEEM spectra analysis showed that ozone could effectively degrade fluvic acid-like organic matter and quickly oxidize some small molecule tryptophan.The humification degree of fulvic acid was gradually decreased as the reaction was carried out.

environment;fulvic acid;ozone;UV-vis spectrum;3D-EEM spectrum

X703.1

1001-6929(2017)03-0457-07

A

10.13198 j.issn.1001-6929.2017.01.64

張愛平,李民,陳煒鳴,等.高濃度富里酸在臭氧體系中的降解特性[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(3):457-463.

ZHANG Aiping,LI Min,CHEN Weiming,et al.Decomposition characteristics of high fulvic acid based on ozone system[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(3):457-463.

2016-06-17

2016-11-12

四川省教育廳項目(15ZB0034);四川省科技廳苗子工程項目(2015039)

張愛平(1979-),女,浙江金華人,教授,博士,主要從事特種廢水處理與再生資源化技術(shù)研究,apzhang@sicnu.edu.cn.

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