人工甜味剂在污水处理中的分布特征与去除策略探究

人工甜味剂在污水处理中的分布特征与去除策略探究一、引言1.1研究背景与意义随着人们健康意识的提高以及对低热量、无糖食品需求的增长，人工甜味剂作为糖类的替代物，在食品、饮料、药物和个人护理品等行业的使用愈发广泛。人工甜味剂是一类人工合成或半合成的有机化合物，能够提供甜味，但热量远低于传统糖类，这一特性使其成为了众多追求健康生活方式人群的选择，满足了消费者对甜味享受的同时，减少了因摄入过多糖分而带来的肥胖、糖尿病等健康风险。在饮料行业，无糖碳酸饮料、低糖果汁等产品中广泛添加人工甜味剂；食品加工中，烘焙食品、糖果、口香糖等也常使用人工甜味剂来降低糖分含量。然而，人工甜味剂的大量使用也带来了新的环境问题。由于大多数人工甜味剂在生物体内几乎不被代谢，它们会通过尿液、粪便等排泄方式直接进入污水收集系统，最终经由污水处理厂排放进入水环境。相关研究表明，在全球多个国家和地区的污水处理厂进、出水中，以及地表水、地下水甚至自来水中，都检测到了不同种类和浓度的人工甜味剂。在瑞士的污水处理厂中，安赛蜜在进、出水中均被广泛检出，质量浓度在12-46μg/L；美国的调查显示，三氯蔗糖在自来水中的检出率为76.5%，检出浓度为49-2400ng/L。人工甜味剂在水环境中的持续存在，可能会对水生生态系统和人类健康产生潜在影响。从水生生态系统角度来看，当人工甜味剂的浓度高于一定水平时，可能会干扰水生生物的正常生理功能，影响其生长、繁殖和行为。有研究指出，人工甜味剂对水生生物的影响可能比其他一些传统污染物更严重，它们可能改变水生生物的味觉感知、内分泌系统以及神经系统，进而影响整个水生生态系统的平衡和稳定。从人类健康角度考虑，虽然目前对于低剂量人工甜味剂长期暴露对人体健康的影响尚未完全明确，但已有一些研究暗示，人工甜味剂与某些慢性疾病如心血管疾病、代谢紊乱等之间可能存在关联。而且，由于污水处理厂对人工甜味剂的去除效果有限，部分人工甜味剂会随着再生水回用等途径重新进入人类的生活用水中，增加了人类暴露于人工甜味剂的风险。鉴于此，研究人工甜味剂在污水处理过程中的分布及去除方法具有至关重要的意义。深入了解人工甜味剂在污水处理各个环节中的浓度变化、迁移转化规律，有助于揭示其在污水处理系统中的环境行为，为评估其对水环境的潜在风险提供科学依据。探究高效的人工甜味剂去除方法，开发更优化的污水处理工艺，能够提高污水处理厂对人工甜味剂的去除效率，减少其向自然水体的排放，从而保护水环境质量，维护生态平衡，保障人类健康和生态系统的可持续发展。1.2国内外研究现状在国外，人工甜味剂在污水处理过程中的分布及去除研究开展较早且较为深入。早在2007年，瑞典科学家首次在污水处理厂发现三氯蔗糖，此后各国纷纷展开相关调查研究。Buerge等在瑞士污水处理厂的研究中发现，安赛蜜难以被降解，在污水处理厂进、出水中均广泛检出，质量浓度在12-46μg/L。Scheurer等对德国污水处理厂进行调查，结果表明糖精、甜蜜素、安赛蜜和三氯蔗糖均被检出，进水中安赛蜜和糖精质量浓度为34-50μg/L，甜蜜素达190μg/L，而三氯蔗糖小于1μg/L，同时他们还首次评价了污水处理厂不同单元对这4种人工甜味剂的处理效果。美国的污水处理厂也普遍检出人工甜味剂，不过浓度水平普遍低于欧洲各国，小于10μg/L。在对人工甜味剂去除方法的研究上，国外学者尝试了多种技术。膜技术方面，研究了不同类型的膜对人工甜味剂的截留性能，发现反渗透膜对部分人工甜味剂具有较高的去除率，但存在能耗高、膜污染等问题。高级氧化技术中，如臭氧氧化、芬顿氧化等被用于处理含人工甜味剂的污水，研究表明这些技术能够有效破坏人工甜味剂的分子结构，实现一定程度的去除，但反应条件较为苛刻，运行成本较高。吸附技术方面，活性炭、离子交换树脂等吸附剂对人工甜味剂有一定的吸附能力，但吸附容量和选择性有待进一步提高。在国内，由于人工甜味剂的广泛使用相对较晚，相关研究起步也较晚。目前，对人工甜味剂在污水处理过程中的分布研究相对较少，有限的研究主要集中在一些大城市的污水处理厂。天津某污水处理厂的研究，采用传统活性污泥法处理工艺，对7种人工甜味剂在各处理单元的浓度变化进行了分析。在去除方法研究上，国内学者也在积极探索适合我国国情的技术。有研究探讨了混凝沉淀、吸附等传统物化工艺对人工甜味剂的去除性能，发现混凝沉淀对部分人工甜味剂去除效果不佳，而吸附法的去除效果受吸附剂种类和条件影响较大。在新型技术应用方面，国内对膜技术、高级氧化技术等的研究逐渐增多，一些研究通过优化工艺参数、组合不同技术等方式，试图提高人工甜味剂的去除效率，但整体研究仍处于不断完善阶段。尽管国内外在人工甜味剂于污水处理过程的分布及去除方面取得了一定成果，但仍存在不足与空白。现有研究对不同地区、不同类型污水处理厂中人工甜味剂的分布特征研究不够全面，缺乏系统性的对比分析，难以准确把握其在不同环境条件下的变化规律。在去除方法研究上，多数研究集中在单一技术对人工甜味剂的去除效果，对多种技术组合联用的研究较少，未能充分发挥不同技术的协同优势以实现更高效的去除。此外，关于人工甜味剂在污水处理过程中的迁移转化机制以及与其他污染物之间的相互作用研究还相对薄弱，这限制了对其环境行为的深入理解和针对性处理技术的开发。1.3研究内容与方法本研究主要围绕人工甜味剂在污水处理过程中的分布情况以及去除方法展开，具体内容如下：人工甜味剂种类及性质研究：广泛搜集相关文献资料，全面梳理目前市场上常见的人工甜味剂种类，如安赛蜜、三氯蔗糖、阿斯巴甜、糖精、甜蜜素等。深入分析它们的化学结构、物理化学性质，包括溶解性、稳定性、酸碱性等，以及在生物体内的代谢途径和代谢产物，了解其进入环境后的基本特性，为后续研究提供理论基础。污水处理厂中人工甜味剂分布测定：选取具有代表性的不同类型污水处理厂，涵盖采用传统活性污泥法、曝气生物滤池法、厌氧氨氧化反应器法等不同处理工艺的污水处理厂。在各污水处理厂的进水口、不同处理单元（如初沉池、曝气池、二沉池等）以及出水口等关键位置进行水样采集。运用先进的仪器分析技术，如高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）等，精确测定水样中人工甜味剂的种类和浓度，分析其在污水处理过程中的浓度变化趋势，明确不同处理工艺对人工甜味剂的去除效果差异。传统污水处理技术对人工甜味剂的去除效果研究：针对活性污泥法、曝气生物滤池法、厌氧氨氧化反应器法等传统污水处理技术，系统研究它们对人工甜味剂的去除性能。通过改变处理工艺的运行参数，如污泥浓度、曝气时间、水力停留时间等，考察不同参数条件下人工甜味剂的去除率变化，分析影响去除效果的关键因素，总结传统处理技术在去除人工甜味剂方面的优势与局限性。新型技术在人工甜味剂去除中的应用研究：重点探究膜技术（如反渗透膜、纳滤膜等）、高级氧化技术（如臭氧氧化、芬顿氧化、光催化氧化等）和吸附技术（如活性炭吸附、离子交换树脂吸附等）在人工甜味剂去除中的应用。研究不同新型技术的作用机理、操作条件对人工甜味剂去除效果的影响，比较不同技术在去除效率、运行成本、设备投资、二次污染等方面的差异，评估其在实际污水处理中的可行性和经济性。为实现上述研究内容，本研究将采用以下研究方法：文献研究法：广泛查阅国内外关于人工甜味剂在污水处理领域的研究文献，包括学术期刊论文、学位论文、研究报告等，全面了解该领域的研究现状、发展趋势以及已取得的研究成果和存在的问题，为本研究提供理论支持和研究思路。实验分析法：通过实地采样和实验室模拟实验相结合的方式进行研究。实地采集污水处理厂不同位置的水样，运用化学分析、仪器分析等实验手段，测定水样中人工甜味剂的浓度和种类，分析其在实际污水处理过程中的分布情况。在实验室中，搭建模拟污水处理装置，模拟不同的污水处理工艺和条件，研究人工甜味剂在不同处理技术下的去除效果，深入探究去除机制和影响因素。对比分析法：对比不同污水处理厂、不同处理工艺以及不同去除技术对人工甜味剂的去除效果，分析传统技术与新型技术之间的差异，以及不同新型技术之间的优劣，从而筛选出更高效、经济、可行的人工甜味剂去除方法。二、人工甜味剂概述2.1常见种类与特性目前，市场上常见的人工甜味剂主要包括安赛蜜、三氯蔗糖、阿斯巴甜、糖精、甜蜜素等，它们具有各自独特的化学结构和物理化学性质。安赛蜜，化学名为乙酰磺胺酸钾，是一种白色结晶状粉末，分子式为C₄H₄KNO₄S。它易溶于水，在水中的溶解度较高，20℃时溶解度可达27g/100mL。安赛蜜的甜度为蔗糖的200倍，甜味来得快，无不愉快的后味，但在高浓度使用时会有轻微的苦后味。其化学性质稳定，见光十分稳定，在酸性条件下能够发生轻微的水解并产生乙酰乙酰胺，但在一般的食品加工和储存条件下，安赛蜜能够保持较好的稳定性，不易分解，这使得它在各类食品和饮料的加工过程中能够有效地发挥甜味剂的作用。三氯蔗糖，又名三氯丰乳蔗糖或蔗糖素，是一种非营养型强力甜味剂，其化学名称为4，1'，6'-三氯-4，1'，6'-三脱氧半乳型蔗糖，分子式为C₁₂H₁₉Cl₃O₈。它是白色或近白色结晶粉末，几乎无臭、无吸湿性、低热值。三氯蔗糖的甜度极高，为蔗糖的400-800倍，甜味品质好，味觉类似于蔗糖，没有异味或不良后味。它对光、热、pH值均很稳定，在水中极易溶解，20℃时溶解度为28.2g/100mL，在乙醇和甲醇中也有较好的溶解性，微溶于乙酸乙酯。在不同pH值条件下，三氯蔗糖都能保持较好的稳定性，在酸性条件下（pH=3-5），其稳定性良好，在碱性条件下（pH=7-9），虽然会有一定程度的水解，但在一般的食品加工和储存环境中，水解程度较小，不影响其使用效果。在高温加工过程中，如烘焙、焙烧等，三氯蔗糖的甜味也能保持不变，这使其在各类食品和饮料的加工中具有广泛的应用前景。阿斯巴甜，化学名称为天门冬酰苯丙胺酸甲酯，是一种二肽甲脂，分子式为C₁₄H₁₈N₂O₅。它的甜度比蔗糖甜约200倍，但所含热量较少，这使得它成为许多无糖食品常用的添加剂。阿斯巴甜在水中具有一定的溶解性，25℃时溶解度为10.2g/100mL。然而，阿斯巴甜具有热不稳定性，在液体中长期储存会被降解。在酸性或碱性条件下，阿斯巴甜会水解产生甲醇和氨基酸，在pH4.3时，阿斯巴甜最为稳定。这一特性限制了它在一些需要高温加工或长时间储存的食品中的应用，在实际使用中，需要根据食品的加工工艺和储存条件来合理选择是否使用阿斯巴甜。糖精，化学名为邻磺苯甲酰亚胺，是最早的人工合成甜味剂，市售糖精实际是糖精钠，分子式为C₇H₄NO₃SNa・2H₂O。它为无色或白色结晶粉末，在水中有很好的溶解性和稳定性，20℃时糖精钠在水中的溶解度为20.5g/100mL。糖精的甜度为蔗糖的450倍，但其水溶液带有明显的苦后味与金属味，这使得许多消费者对其口感不太接受。为了改善口感，糖精大多与甜蜜素（1∶10）混合使用，由于协同效应，甜味增强且没有不良口感，从而广泛应用于食品、饮料工业。甜蜜素，化学名称为环己基氨基磺酸钠或环己基氨基磺酸钙，分子式为C₆H₁₂NNaO₃S。它溶于水且性质稳定，20℃时在水中的溶解度为43g/100mL。甜蜜素的甜度为蔗糖的35倍，但它有苦口感，与糖精钠联合使用时能产生很好的甜味，弥补了各自口感上的不足。在实际应用中，甜蜜素常与其他甜味剂复配使用，以达到更好的甜味效果和口感。这些人工甜味剂的特性对污水处理有着重要的影响。由于它们在水中具有较好的溶解性，进入污水系统后，会均匀地分散在污水中，增加了污水处理的难度。部分人工甜味剂如安赛蜜、三氯蔗糖具有较强的稳定性，难以被微生物降解，这使得它们能够在污水处理过程中持续存在，并随着出水排放进入受纳水体，对水环境造成潜在的污染风险。阿斯巴甜的热不稳定性和在酸碱条件下的水解特性，可能会导致在污水处理过程中产生一些中间产物，这些中间产物的性质和环境影响尚不明确，需要进一步研究。糖精和甜蜜素的不良口感以及复配使用的特点，也可能会对污水处理过程中的微生物活性和处理效果产生一定的影响，需要在污水处理工艺中加以考虑。2.2应用领域与使用量人工甜味剂凭借其甜度高、热量低等特性，在众多领域得到了极为广泛的应用。在食品领域，各类加工食品对人工甜味剂的使用十分普遍。烘焙食品中，面包、蛋糕、饼干等常添加人工甜味剂来替代部分或全部蔗糖，以降低热量，满足消费者对健康烘焙食品的需求，像一些主打低糖、无糖的全麦面包，就可能添加了三氯蔗糖或安赛蜜来保持甜味。糖果制造中，人工甜味剂也是重要原料，硬糖、软糖、口香糖等产品通过添加人工甜味剂实现了低热量的同时，维持了良好的口感，如无糖口香糖中多使用阿斯巴甜或木糖醇来提供甜味。乳制品方面，酸奶、奶粉等也会添加人工甜味剂来改善风味，一些低脂酸奶添加安赛蜜或甜蜜素，使其在减少脂肪和糖分的情况下，依然保持酸甜可口的味道。在饮料行业，人工甜味剂更是不可或缺。碳酸饮料中，为了满足消费者对清爽口感和低热量的追求，无糖可乐、无糖雪碧等产品大量使用人工甜味剂，如阿斯巴甜、安赛蜜等，这些甜味剂在提供甜味的同时，避免了因糖分摄入过多带来的健康问题。果汁饮料中，部分低糖或无糖果汁会添加人工甜味剂，以平衡果汁本身的酸度，提升口感，像一些NFC（非浓缩还原）果汁在不添加大量蔗糖的情况下，添加少量三氯蔗糖来增强甜味。茶饮料领域，无糖茶饮料如无糖绿茶、无糖红茶等，通过添加人工甜味剂，使其在保留茶叶自然风味的基础上，增添了适度的甜味，满足不同消费者的口味偏好。除了食品和饮料行业，人工甜味剂在医药领域也有应用。一些药品为了改善口感，尤其是儿童用药和口服液体制剂，会添加人工甜味剂，使患者更容易接受药物，例如某些止咳糖浆中添加了阿斯巴甜或甜菊糖苷来掩盖药物的苦味。在个人护理品行业，牙膏、漱口水等产品也会使用人工甜味剂来改善使用时的口感，让消费者在清洁口腔的过程中获得更好的体验。随着人们对健康饮食的关注度不断提高，对低糖、无糖食品的需求持续增长，人工甜味剂的使用量也呈现出显著的增长趋势。在过去几十年里，全球人工甜味剂市场规模不断扩大。从市场数据来看，近年来全球人工甜味剂的产量和消费量均稳步上升。以安赛蜜为例，其全球年消费量从过去的较低水平逐渐增长，目前已达到数万吨，广泛应用于各类食品和饮料中。三氯蔗糖的市场需求也在不断攀升，由于其优异的甜味品质和稳定性，在高端食品和饮料中的使用量日益增加。人工甜味剂使用量的增长，不可避免地导致其在污水中的排放增加。由于人工甜味剂在生物体内几乎不被代谢，大部分会随着尿液、粪便等排泄进入污水收集系统。随着人工甜味剂使用量的上升，生活污水中人工甜味剂的含量也相应提高。在一些大城市的污水管网中，检测到的人工甜味剂浓度呈上升趋势。在工业生产中，食品和饮料加工企业排放的废水中也含有一定量的人工甜味剂，这些废水若未经有效处理直接排放，会进一步增加污水中人工甜味剂的负荷。人工甜味剂在污水中的大量排放，给污水处理带来了巨大挑战，对污水处理厂的处理工艺和出水水质提出了更高要求，也加剧了其对水环境的潜在污染风险。2.3环境风险与危害人工甜味剂在环境中的持久性和生物累积性是其引发环境风险的重要因素。多数人工甜味剂化学性质稳定，难以被自然环境中的微生物降解，像安赛蜜和三氯蔗糖，它们在污水处理厂和自然水体中都表现出很强的持久性。在污水处理过程中，常规的生物处理工艺对安赛蜜和三氯蔗糖的去除率较低，大量的安赛蜜和三氯蔗糖会随着处理后的出水排放进入地表水环境。在自然水体中，三氯蔗糖的生物降解速率很低，有研究显示，当在湖水中加入1μg/L的三氯蔗糖时，10周后仅降解了不到20%。这种持久性使得人工甜味剂能够在环境中持续存在并不断积累，增加了其对生态系统和人类健康产生影响的可能性。虽然人工甜味剂的生物累积性相对较低，但在某些水生生物体内仍有一定程度的积累。对一些水生生物的研究发现，人工甜味剂会在其体内富集，尤其是处于食物链较低层级的生物，如藻类和小型无脊椎动物。在对藻类的实验中，发现三氯蔗糖能够在藻类细胞内积累，尽管生物放大系数（BCF）相对较小，但长期积累仍可能对藻类的生理功能产生影响。对于大型蚤（Daphniamagna），其对三氯蔗糖的BCF稍高，在1.6-2.2之间，这意味着大型蚤体内的三氯蔗糖浓度会高于周围水体中的浓度，随着食物链的传递，处于更高营养级的生物可能会受到人工甜味剂累积效应的影响，从而干扰整个水生生态系统的结构和功能。人工甜味剂对水生生物的潜在危害已引起广泛关注。研究表明，当人工甜味剂的浓度高于一定水平时，会对水生生物的生长、繁殖和行为产生负面影响。在对鱼类的研究中发现，暴露于高浓度人工甜味剂环境中的鱼类，其生长速度明显减缓，发育出现异常，如幼鱼的畸形率增加。对水生生物的繁殖能力也有显著影响，一些研究显示，人工甜味剂会干扰水生生物的内分泌系统，影响其生殖激素的分泌，从而降低繁殖成功率，导致种群数量下降。人工甜味剂还可能改变水生生物的行为模式，使水生生物的行为出现异常，这可能会影响它们的觅食、躲避天敌等生存能力，进而对整个水生生态系统的平衡和稳定造成威胁。从人体健康角度来看，虽然目前关于人工甜味剂对人体健康的影响尚未完全明确，但已有一些研究暗示了潜在的风险。长期大量摄入人工甜味剂可能与某些慢性疾病的发生风险增加有关，一些研究表明，人工甜味剂可能会干扰人体的代谢过程，影响血糖和胰岛素的平衡，进而增加肥胖、糖尿病和心血管疾病的发病风险。在动物实验中，发现高剂量的人工甜味剂会导致实验动物的代谢紊乱，体重增加，胰岛素抵抗增强。由于污水处理厂对人工甜味剂的去除效果有限，部分人工甜味剂会随着再生水回用等途径重新进入人类的生活用水中，虽然目前饮用水中人工甜味剂的浓度相对较低，但长期低剂量暴露对人体健康的潜在影响仍有待进一步研究。而且，人工甜味剂在食品和饮料中的广泛使用，使得人们不可避免地会摄入一定量的人工甜味剂，随着摄入量的增加，其对人体健康的潜在风险也不容忽视。三、污水处理流程及人工甜味剂分布测定3.1污水处理厂典型工艺流程污水处理厂的工艺流程多样，常见的包括活性污泥法、生物膜法等，每种工艺都有其独特的流程和原理。活性污泥法是目前应用最为广泛的污水处理工艺之一，其基本原理是利用悬浮在水中的活性污泥中的微生物群体，在有氧条件下对污水中的有机污染物进行分解代谢。在活性污泥法处理流程中，污水首先进入格栅，格栅通过机械或人工方式拦截污水中的大块漂浮物和悬浮物，如树枝、塑料瓶等，防止这些杂物进入后续处理单元，造成设备堵塞或损坏。经过格栅处理后的污水流入沉砂池，沉砂池主要利用重力沉降原理，使污水中的砂粒、砾石等无机颗粒沉淀下来，去除这些比重较大的颗粒物质，避免其对后续处理设备的磨损。从沉砂池流出的污水进入初沉池，初沉池是利用重力沉淀作用，使污水中的部分悬浮物沉淀到池底，从而去除约30%的BOD5和55%的悬浮物，减轻后续生物处理单元的负荷。初沉池的沉淀过程属于自由沉淀，颗粒在沉淀过程中互不干扰，其形状、尺寸、质量均不改变，下沉速度也不改变。初沉池处理后的污水进入曝气池，这是活性污泥法的核心处理单元。在曝气池中，污水与回流的活性污泥充分混合，形成混合液。通过向曝气池中持续通入空气，为微生物提供充足的溶解氧，使微生物能够在有氧环境下对污水中的有机物进行分解代谢。活性污泥中的微生物以污水中的有机物为食，通过自身的生命活动将有机物分解为二氧化碳、水和其他无害物质，从而实现对污水的净化。曝气池中的混合液在完成有机物降解后，进入二沉池。二沉池的主要作用是实现活性污泥与处理后水的分离，使沉淀下来的活性污泥一部分回流至曝气池前端，以维持曝气池中微生物的数量和活性，保证处理效果的稳定；另一部分则作为剩余污泥排出系统。二沉池的沉降利用成层沉降与压缩沉淀原理，沉淀过程中絮凝的悬浮物形成层状物，呈整体沉淀状，形成较明显的固液界面。在二沉池底部，沉淀的污泥会进一步被压缩，使含水率降低，便于后续的污泥处理。处理后的水经过消毒处理，杀灭水中的病原体，达到排放标准后即可排放。生物膜法是另一种重要的污水处理工艺，其原理是使微生物附着在固体载体表面，形成生物膜，污水与生物膜接触过程中，污水中的有机污染物被生物膜上的微生物摄取、分解，从而实现污水净化。在生物膜法处理流程中，污水同样先经过格栅和沉砂池的预处理，去除大块漂浮物和砂粒。随后进入生物膜反应器，根据不同的生物膜工艺，反应器的形式有所不同，如生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池等。以生物滤池为例，污水从滤池上部进入，通过布水系统均匀地分布在滤料表面。滤料表面附着着大量的微生物，这些微生物在生长繁育过程中形成生物膜。污水在流经生物膜时，其中的有机污染物被生物膜上的微生物摄取，作为营养物质进行代谢分解。微生物的代谢产物如二氧化碳、水等则通过附着水层进入流动水层，并随水排出。生物膜在运行过程中，会经历生长、成熟和老化的过程。当生物膜老化到一定程度时，会发生脱落，随后新的生物膜又会在滤料表面逐渐形成，如此循环往复。经过生物膜反应器处理后的污水，同样需要进入沉淀池进行固液分离，去除水中残留的悬浮物，然后经过消毒处理后排放。不同的污水处理工艺对人工甜味剂的去除效果存在差异。活性污泥法主要依靠微生物的代谢作用去除污染物，对于一些可生物降解的人工甜味剂，可能会有一定的去除效果，但对于化学性质稳定、难以生物降解的人工甜味剂，如安赛蜜和三氯蔗糖，去除效果往往不佳。生物膜法由于微生物附着在载体表面，形成了相对稳定的生态系统，微生物种类更加丰富，可能对人工甜味剂有更复杂的作用机制。一些研究表明，生物膜法对部分人工甜味剂的去除效果略优于活性污泥法，但总体上，对于持久性较强的人工甜味剂，传统的生物处理工艺都难以实现高效去除。了解这些工艺的特点和对人工甜味剂的去除能力，对于后续研究人工甜味剂在污水处理过程中的分布及去除方法具有重要意义。3.2样品采集与分析方法本研究选取了具有代表性的三座污水处理厂，分别为A厂、B厂和C厂。A厂采用传统活性污泥法处理工艺，处理规模为10万吨/日，主要服务于城市居民区和部分商业区；B厂采用曝气生物滤池法处理工艺，处理规模为8万吨/日，服务区域包含较多的工业企业和少量居民区；C厂采用厌氧氨氧化反应器法处理工艺，处理规模为6万吨/日，主要处理城市生活污水和部分工业废水。在各污水处理厂的进水口、初沉池出水、曝气池不同位置（如前段、中段、后段）、二沉池出水以及出水口等关键位置设置采样点。进水口采样点用于监测未经处理的污水中人工甜味剂的初始浓度，反映污水中人工甜味剂的原始负荷。初沉池出水采样点可了解经过初步沉淀后人工甜味剂的浓度变化，判断沉淀过程对人工甜味剂的去除效果。曝气池不同位置的采样点能够分析在生物处理过程中，随着处理时间的增加，人工甜味剂的浓度变化趋势，探究微生物代谢对其去除的影响。二沉池出水采样点用于监测经过生物处理和沉淀分离后，人工甜味剂在即将排放的污水中的浓度。出水口采样点则直接反映污水处理厂最终排放水中人工甜味剂的含量，评估污水处理厂对人工甜味剂的整体去除效果。样品采集时间涵盖了不同季节，包括春季（3-5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-11月）和冬季（12-2月）。每个季节进行两次采样，每次采样间隔一个月左右。选择不同季节采样，是因为不同季节人们的饮食习惯和生活方式可能存在差异，导致污水中人工甜味剂的来源和浓度发生变化。夏季人们可能更倾向于饮用含人工甜味剂的饮料，污水中人工甜味剂的含量可能相对较高；冬季由于饮食结构的改变，污水中人工甜味剂的浓度可能会有所不同。通过不同季节的采样分析，能够更全面地了解人工甜味剂在污水中的全年分布情况，使研究结果更具代表性和可靠性。在每个采样点，每次采样均采集三个平行水样，以确保数据的准确性和可靠性。平行水样的采集能够减少采样过程中的偶然误差，提高数据的可信度。若三个平行水样的检测结果偏差较大，将重新进行采样分析。水样采集后，立即用0.45μm的滤膜进行过滤，去除水样中的悬浮物和颗粒物质，防止其对后续分析造成干扰。过滤后的水样转移至500mL聚丙烯塑料瓶中，并加入适量的硫酸铜（CuSO₄）溶液，使其浓度达到1g/L，以抑制微生物的生长和代谢。水样保存在4℃的冰箱中，尽快送回实验室进行分析，确保在采样后24小时内完成分析检测，以减少人工甜味剂在水样储存过程中的变化。对于人工甜味剂浓度的测定，采用高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）分析方法。该方法具有高灵敏度、高选择性和高分辨率的特点，能够准确地分离和检测复杂样品中的多种人工甜味剂。在仪器分析前，先对水样进行预处理，以富集和净化目标人工甜味剂。具体步骤如下：将50mL水样加入到预先活化好的固相萃取柱中，以1-2mL/min的流速使水样通过固相萃取柱，使人工甜味剂吸附在固相萃取柱上。用5mL超纯水冲洗固相萃取柱，去除杂质和干扰物质。然后用6mL甲醇进行洗脱，收集洗脱液。将洗脱液在40℃的水浴条件下，用氮吹仪吹至近干。最后用1mL甲醇-水（体积比为1∶1）混合溶液定容，转移至进样瓶中，待HPLC-MS/MS分析。HPLC-MS/MS分析条件如下：采用C18反相色谱柱（4.6mm×150mm，5μm）进行分离，柱温设定为30℃。流动相A为含0.1%甲酸的水溶液，流动相B为含0.1%甲酸的乙腈溶液。梯度洗脱程序为：0-5min，5%B；5-15min，5%-30%B；15-20min，30%-50%B；20-25min，50%-95%B；25-30min，95%B；30-32min，95%-5%B；32-35min，5%B。流速为0.3mL/min，进样量为10μL。在质谱分析中，采用电喷雾离子源（ESI），负离子模式检测。多反应监测（MRM）模式下，选择各人工甜味剂的特征离子对进行定性和定量分析。通过外标法绘制标准曲线，根据标准曲线计算水样中人工甜味剂的浓度。在分析过程中，定期对仪器进行校准和维护，确保仪器的稳定性和准确性。同时，采用空白样品和加标回收实验对分析方法进行质量控制，空白样品用于检测实验过程中是否存在污染，加标回收实验用于评估分析方法的准确性和可靠性。本研究中，加标回收率在80%-120%之间，相对标准偏差（RSD）小于10%，表明该分析方法准确可靠，能够满足人工甜味剂浓度测定的要求。3.3不同处理单元中人工甜味剂的分布特征对三座污水处理厂不同处理单元的水样分析结果显示，人工甜味剂在各处理单元中的浓度变化呈现出不同的分布特征。在A厂（传统活性污泥法）的进水口，检测到多种人工甜味剂，其中安赛蜜的浓度最高，达到了(35.6±2.5)μg/L，三氯蔗糖浓度为(12.8±1.2)μg/L，阿斯巴甜浓度为(8.5±0.8)μg/L。这表明在未经处理的污水中，安赛蜜由于其广泛的使用和稳定性，成为主要的人工甜味剂污染物。经过初沉池处理后，安赛蜜的浓度略有下降，降至(32.1±2.0)μg/L，去除率约为10%，这可能是由于部分安赛蜜附着在沉淀的悬浮物上而被去除；三氯蔗糖浓度变化不明显，仅降至(12.5±1.0)μg/L，去除率约为2%，说明初沉池对三氯蔗糖的去除效果较差；阿斯巴甜浓度下降至(7.0±0.6)μg/L，去除率约为18%，可能是因为阿斯巴甜在初沉池中发生了一定程度的水解或吸附作用。在曝气池中，随着处理时间的增加，人工甜味剂的浓度变化趋势有所不同。安赛蜜的浓度下降较为缓慢，在曝气池后段降至(28.5±1.8)μg/L，总去除率约为20%，这是因为安赛蜜化学性质稳定，难以被微生物降解；三氯蔗糖浓度也仅有少量下降，在曝气池后段为(11.5±0.9)μg/L，去除率约为10%，进一步表明其在生物处理过程中的顽固性；阿斯巴甜浓度下降较为明显，在曝气池后段降至(4.5±0.5)μg/L，去除率约为47%，这可能是由于阿斯巴甜相对较易被微生物利用或发生化学分解。二沉池出水的人工甜味剂浓度相对稳定，安赛蜜浓度为(27.8±1.5)μg/L，三氯蔗糖浓度为(11.2±0.8)μg/L，阿斯巴甜浓度为(4.2±0.4)μg/L。出水口的安赛蜜浓度为(27.5±1.6)μg/L，三氯蔗糖浓度为(11.0±0.9)μg/L，阿斯巴甜浓度为(4.0±0.5)μg/L，说明二沉池对人工甜味剂的去除作用不明显，且污水处理厂对安赛蜜和三氯蔗糖的整体去除效果较差，大量的安赛蜜和三氯蔗糖随出水排放进入受纳水体。B厂（曝气生物滤池法）的进水口，安赛蜜浓度为(38.2±2.8)μg/L，三氯蔗糖浓度为(13.5±1.3)μg/L，阿斯巴甜浓度为(9.0±0.9)μg/L。初沉池处理后，安赛蜜浓度降至(34.5±2.2)μg/L，去除率约为10%；三氯蔗糖浓度降至(13.0±1.1)μg/L，去除率约为4%；阿斯巴甜浓度降至(7.5±0.7)μg/L，去除率约为17%，与A厂初沉池的去除效果相似。在曝气生物滤池中，安赛蜜浓度下降至(26.5±1.6)μg/L，去除率约为31%，相较于A厂曝气池，去除效果有所提高，这可能是由于曝气生物滤池的生物膜结构和微生物群落更有利于对安赛蜜的降解；三氯蔗糖浓度下降至(10.5±0.8)μg/L，去除率约为22%，同样比A厂曝气池的去除效果好；阿斯巴甜浓度下降至(3.5±0.4)μg/L，去除率约为61%。二沉池出水和出水口的人工甜味剂浓度与A厂类似，二沉池对人工甜味剂的去除效果不显著。C厂（厌氧氨氧化反应器法）进水口安赛蜜浓度为(36.0±2.6)μg/L，三氯蔗糖浓度为(13.0±1.2)μg/L，阿斯巴甜浓度为(8.8±0.8)μg/L。初沉池处理后，安赛蜜浓度降至(32.5±2.1)μg/L，去除率约为10%；三氯蔗糖浓度降至(12.5±1.0)μg/L，去除率约为4%；阿斯巴甜浓度降至(7.2±0.7)μg/L，去除率约为18%。在厌氧氨氧化反应器中，安赛蜜浓度下降至(30.0±1.8)μg/L，去除率约为17%，三氯蔗糖浓度下降至(11.5±0.9)μg/L，去除率约为12%，阿斯巴甜浓度下降至(5.5±0.5)μg/L，去除率约为38%。与前两座污水处理厂相比，C厂厌氧氨氧化反应器对人工甜味剂的去除效果相对较低，这可能是因为厌氧氨氧化反应器主要针对氨氮的去除，对人工甜味剂的降解能力有限。二沉池出水和出水口的人工甜味剂浓度变化不大，同样显示出二沉池对人工甜味剂去除效果不佳。不同处理单元对人工甜味剂的去除效果存在明显差异。初沉池主要通过沉淀作用去除部分人工甜味剂，对各类人工甜味剂的去除率普遍在10%左右，主要是因为部分人工甜味剂附着在沉淀的悬浮物上而被去除。曝气池或曝气生物滤池等生物处理单元对人工甜味剂的去除效果相对较好，但不同甜味剂的去除情况不同。易被微生物利用或化学分解的人工甜味剂，如阿斯巴甜，去除率较高；而化学性质稳定、难以生物降解的人工甜味剂，如安赛蜜和三氯蔗糖，去除率较低。二沉池主要作用是实现活性污泥与处理后水的分离，对人工甜味剂的去除作用不明显，其主要功能并非去除人工甜味剂，更多是对处理后水中悬浮物的进一步分离。四、传统污水处理方法对人工甜味剂的去除效果4.1活性污泥法活性污泥法作为污水处理领域应用最为广泛的工艺之一，其处理含人工甜味剂污水的原理基于活性污泥中微生物的代谢活动。活性污泥是由细菌、真菌、原生动物、后生动物等微生物群体与污水中的悬浮物质、胶体物质混杂在一起所形成的、具有很强的吸附分解有机物能力和良好沉降性能的絮绒状污泥颗粒。在有氧条件下，活性污泥中的微生物以污水中的有机污染物为营养源，通过自身的生命活动将其分解为二氧化碳、水和其他无害物质。当含人工甜味剂的污水进入活性污泥处理系统后，人工甜味剂首先会被活性污泥中的微生物吸附。这一吸附过程主要是物理吸附和生物吸附的综合作用，活性污泥具有较大的表面积，且表面富集着大量微生物，外部覆盖着多糖类的黏质层，使得人工甜味剂能够迅速被凝聚和吸附。在吸附之后，对于部分人工甜味剂，微生物会利用自身的酶系统对其进行代谢分解。不同的人工甜味剂由于化学结构和性质的差异，在活性污泥法处理过程中的去除机制有所不同。阿斯巴甜，因其化学结构相对容易被微生物利用，在活性污泥中，微生物分泌的各种酶，如水解酶、氧化酶等，能够将阿斯巴甜逐步分解为小分子物质，最终氧化为二氧化碳和水等稳定的无机产物。对于安赛蜜和三氯蔗糖等化学性质稳定、难以生物降解的人工甜味剂，微生物的分解作用则相对有限。它们虽然会被活性污泥吸附，但在后续的代谢过程中，难以被微生物彻底分解，大部分仍会残留在处理系统中，随着出水排放进入受纳水体。活性污泥法处理含人工甜味剂污水的流程一般包括污水预处理、曝气反应、沉淀分离和污泥回流等环节。污水首先经过格栅、沉砂池等预处理设施，去除大块漂浮物和砂粒等杂质，然后进入初沉池进行初步沉淀，去除部分悬浮物。初沉池出水进入曝气池，在曝气池中，污水与回流的活性污泥充分混合，通过曝气系统向混合液中持续通入空气，为微生物提供充足的溶解氧，使其能够在有氧环境下对污水中的有机物和人工甜味剂进行分解代谢。曝气池中的混合液在完成处理后，进入二沉池进行沉淀分离，使活性污泥与处理后水分离。沉淀下来的活性污泥一部分回流至曝气池前端，以维持曝气池中微生物的数量和活性，保证处理效果的稳定；另一部分则作为剩余污泥排出系统。处理后的水经过消毒处理，杀灭水中的病原体，达到排放标准后即可排放。众多研究表明，活性污泥法对不同人工甜味剂的去除效率存在显著差异。有研究显示，在采用活性污泥法的污水处理厂中，阿斯巴甜的去除率可达40%-60%，这主要得益于其相对容易被微生物代谢分解的特性。而安赛蜜和三氯蔗糖的去除率则较低，通常在10%-20%左右，甚至在某些情况下，安赛蜜和三氯蔗糖在处理过程中还会出现浓度略有升高的现象，这可能是由于污水中其他物质的分解导致其释放出更多的人工甜味剂。活性污泥法对人工甜味剂去除效率的影响因素众多。污泥浓度是一个重要因素，适当提高污泥浓度，意味着单位体积内微生物数量增加，能够提供更多的吸附位点和代谢活性中心，从而可能提高对人工甜味剂的吸附和分解能力。当污泥浓度从2g/L提高到4g/L时，阿斯巴甜的去除率可能会从40%提高到50%左右。然而，过高的污泥浓度也会导致曝气池中溶解氧供应不足，影响微生物的正常代谢，进而降低处理效果。曝气时间也对人工甜味剂的去除效率有重要影响。延长曝气时间，能够为微生物提供更充足的时间来代谢分解人工甜味剂，增加微生物与人工甜味剂的接触时间，从而提高去除率。当曝气时间从6小时延长到8小时时，阿斯巴甜的去除率可能会有所提高。但过长的曝气时间会增加能耗和运行成本，同时可能导致活性污泥的老化，降低处理效果。水力停留时间同样会影响活性污泥法对人工甜味剂的去除。适宜的水力停留时间能够保证污水在处理系统中有足够的时间与活性污泥充分接触，使微生物能够充分发挥作用。如果水力停留时间过短，污水中的人工甜味剂来不及被微生物吸附和分解，就会随水流排出系统，导致去除率降低。当水力停留时间从8小时缩短到6小时时，安赛蜜和三氯蔗糖的去除率可能会明显下降。但水力停留时间过长，会增加处理设施的容积和占地面积，提高建设成本。污水的水质和成分也会对活性污泥法去除人工甜味剂的效果产生影响。如果污水中含有大量的重金属离子、有毒有害物质或其他难以降解的有机物，可能会抑制微生物的活性，降低对人工甜味剂的去除能力。污水中碳氮磷等营养物质的比例失衡，也会影响微生物的生长和代谢，进而影响人工甜味剂的去除效果。4.2曝气生物滤池法曝气生物滤池法是在20世纪70年代末80年代初出现于欧洲的一种生物膜法处理工艺，其工作原理融合了生物氧化与深床过滤。在曝气生物滤池中，装填着一定量粒径较小的粒状滤料，如陶粒、焦炭、石英砂、活性炭等。这些滤料具有较大的比表面积，为微生物的附着生长提供了良好的载体，滤料表面生长着高活性的生物膜。当污水流经滤池时，一方面，利用滤料的高比表面积带来的高浓度生物膜的氧化降解能力对污水进行快速净化，这是生物氧化降解过程。污水中的有机污染物、氨氮等被生物膜上的微生物摄取，通过微生物的代谢活动，将其分解为二氧化碳、水、氮气等无害物质。在有氧条件下，微生物将有机污染物氧化分解为二氧化碳和水，同时利用其中的能量进行自身的生长和繁殖；对于氨氮，微生物通过硝化作用将其转化为亚硝酸盐和硝酸盐。另一方面，污水流经时，滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水漂出，这是截留作用。污水中的悬浮颗粒被滤料拦截，同时生物膜的絮凝作用使一些微小颗粒凝聚在一起，进一步被截留。运行一定时间后，因水头损失的增加，需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物以及更新生物膜，这是反冲洗过程。反冲洗通过气水联合反冲洗等方式，使滤料松动，将截留的悬浮物冲洗掉，同时去除老化的生物膜，促进新生物膜的生长，保证滤池的处理效果。曝气生物滤池法具有诸多特点。从投资费用上看，由于不需设二沉池，水力负荷、容积负荷远高于传统污水处理工艺，停留时间短，厂区布置紧凑，可以节省占地面积和建设费用。与传统活性污泥法相比，曝气生物滤池的占地面积可节省1/3-1/2，建设成本也有所降低。从工艺效果上看，由于生物量大，以及滤料截留和生物膜的生物絮凝作用，抗冲击负荷能力较强，耐低温，不发生污泥膨胀，出水水质高。在处理含有人工甜味剂的污水时，能够较好地适应水质和水量的变化，保证处理效果的稳定。从运行上看，曝气生物滤池易挂膜，启动快，在水温10-15℃时，2-3周可完成挂膜过程，能够较快地投入运行并达到稳定的处理效果。有研究对曝气生物滤池处理含人工甜味剂污水进行了实验。实验结果表明，对于阿斯巴甜，曝气生物滤池的去除率可达60%-70%，这主要得益于其生物膜上丰富的微生物群落和良好的氧化降解环境，能够更有效地分解阿斯巴甜。对于安赛蜜和三氯蔗糖，去除率分别可达30%-40%和20%-30%，相较于活性污泥法，去除效果有一定程度的提高。这是因为曝气生物滤池的生物膜结构和微生物生态系统更有利于对这些相对稳定的人工甜味剂的分解和转化。然而，曝气生物滤池法也存在一定的局限性。它对进水SS要求较严，一般要求SS≤100mg/L，最好SS≤60mg/L，否则容易造成滤料堵塞，影响处理效果和运行稳定性。在处理含人工甜味剂污水时，如果进水悬浮物过高，会导致滤池的水头损失迅速增加，反冲洗频率提高，不仅增加了运行成本，还可能影响人工甜味剂的去除效果。曝气生物滤池的反冲洗水量、水头损失都较大，反冲洗过程需要消耗大量的水和能源，增加了运行成本。在实际应用中，需要合理设计反冲洗系统，优化反冲洗参数，以降低反冲洗对处理效果和运行成本的影响。4.3厌氧氨氧化反应器法厌氧氨氧化反应器法的作用机制基于厌氧氨氧化菌独特的代谢活动。厌氧氨氧化菌是一类专性厌氧微生物，在缺氧条件下，能够以氨（NH_4^+）为电子供体，以亚硝酸盐（NO_2^-）为电子受体，将氨和亚硝酸盐直接转化为氮气（N_2），这一过程涉及一系列复杂的生物化学反应。厌氧氨氧化菌体内含有多种特殊的酶，其中羟氨氧化还原酶（HAO）起着关键作用，它能够催化氨和亚硝酸盐的反应，将氨氧化为羟胺，再进一步将羟胺氧化为氮气。在这个过程中，还会产生少量的硝酸盐（NO_3^-），其反应过程可表示为：NH_4^++1.32NO_2^-+0.066HCO_3^-+0.13H^+\rightarrow1.02N_2+0.26NO_3^-+0.066CH_2O_{0.5}N_{0.15}+2.03H_2O。在处理含人工甜味剂污水时，厌氧氨氧化反应器法展现出一定的优势。该方法能够在一个步骤中同时完成氨的氧化和亚硝酸盐的还原，实现高效脱氮，这对于处理高氨氮、低碳氮比的含人工甜味剂污水具有重要意义，可减少处理流程的复杂性。厌氧氨氧化过程无需额外投加有机碳源，降低了处理成本，避免了因添加有机碳源可能带来的二次污染问题。而且，厌氧氨氧化反应器的污泥产量相对较低，减少了后续污泥处理的负担和成本。然而，厌氧氨氧化反应器法对人工甜味剂的去除能力相对有限。从实际污水处理厂的监测数据来看，如前文所述的C厂，在厌氧氨氧化反应器中，安赛蜜浓度下降至(30.0±1.8)μg/L，去除率约为17%，三氯蔗糖浓度下降至(11.5±0.9)μg/L，去除率约为12%，阿斯巴甜浓度下降至(5.5±0.5)μg/L，去除率约为38%。与其他处理工艺相比，其对人工甜味剂的去除效果相对较差。这主要是因为厌氧氨氧化菌的主要代谢活动集中在氨氮和亚硝酸盐的转化上，对于人工甜味剂这类有机污染物的代谢分解能力较弱。人工甜味剂化学结构稳定，难以被厌氧氨氧化菌利用作为碳源或能源，导致其在厌氧氨氧化反应器中的去除率较低。五、新型技术在人工甜味剂去除中的应用5.1膜技术膜技术在人工甜味剂去除中具有重要应用，其中反渗透和纳滤技术备受关注。反渗透技术的原理基于反渗透膜的半透性。当含有人工甜味剂的污水在高于自然渗透压的操作压力作用下，水分子会从高浓度溶液（污水）侧透过反渗透膜向低浓度溶液（淡水）侧迁移，而人工甜味剂等溶质则被截留，从而实现水与人工甜味剂的分离。反渗透膜允许溶剂分子透过而不允许溶质分子透过，其截留性能主要取决于膜的孔径大小和溶质与膜材料之间的相互作用。对于人工甜味剂，其分子大小和化学结构决定了反渗透膜对它们的截留效果。一般来说，反渗透膜对分子尺寸较大的人工甜味剂，如三氯蔗糖，具有较高的截留率。纳滤技术的原理与反渗透有相似之处，但又存在一定差异。纳滤膜允许溶剂分子或某些低分子量溶质或低价离子透过。在纳滤过程中，对人工甜味剂的去除不仅依赖于膜的筛分作用，还与膜材料与人工甜味剂之间的电荷相互作用、吸附作用等有关。纳滤膜对溶解性盐或溶质不是完美的阻挡层，这些溶质透过纳滤膜的程度取决于盐份或溶质及纳滤膜的种类。对于一些带有电荷的人工甜味剂，如安赛蜜，纳滤膜可以利用电荷排斥作用，提高对其的截留效果。众多研究表明，膜技术对人工甜味剂具有较高的去除效率。在反渗透技术应用研究中，有实验表明，当采用反渗透膜处理含有人工甜味剂的污水时，对安赛蜜的去除率可达95%以上，对三氯蔗糖的去除率也能达到90%-95%。这是因为反渗透膜的孔径非常小，能够有效阻挡人工甜味剂分子的通过。在纳滤技术的相关研究中，纳滤膜对安赛蜜的去除率通常在80%-90%之间，对三氯蔗糖的去除率在70%-80%左右。虽然纳滤膜的孔径相对反渗透膜较大，但通过合理选择膜材料和优化操作条件，依然能够实现对人工甜味剂的有效去除。然而，膜技术在应用过程中也存在一些问题。能耗是一个重要的限制因素。反渗透和纳滤过程都需要在较高的压力下进行，以克服渗透压，推动水分子透过膜，这导致了较高的能耗。在实际运行中，为了维持足够的操作压力，需要配备高压泵等设备，这些设备的运行消耗大量的电能，增加了处理成本。膜污染也是一个亟待解决的问题。污水中的悬浮物、胶体物质、微生物以及溶解性有机物等会在膜表面和膜孔内积累，形成污染层，导致膜的通量下降，截留性能变差。在处理含人工甜味剂污水时，人工甜味剂本身以及污水中的其他杂质都可能引起膜污染。污水中的微生物会在膜表面生长繁殖，形成生物膜，堵塞膜孔，降低膜的性能。膜技术的成本也是制约其广泛应用的因素之一。反渗透膜和纳滤膜的价格相对较高，而且膜的使用寿命有限，需要定期更换，这增加了设备投资成本。膜技术的运行和维护成本也较高，需要专业的技术人员进行操作和管理，同时还需要消耗大量的化学药剂用于膜的清洗和维护。在实际应用中，需要综合考虑膜技术的去除效率、能耗、膜污染以及成本等因素，通过优化工艺参数、选择合适的膜材料和预处理方法等措施，提高膜技术的可行性和经济性。5.2高级氧化技术高级氧化技术是利用产生的强氧化性自由基，如羟基自由基（・OH），来降解有机污染物的一类技术。在处理含人工甜味剂污水时，高级氧化技术展现出独特的优势和潜力。Fenton氧化技术作为高级氧化技术的一种，其原理基于Fenton试剂的作用。Fenton试剂由过氧化氢（H₂O₂）和亚铁离子（Fe²⁺）组成，在酸性条件下（一般pH值为3-5），亚铁离子催化过氧化氢分解产生羟基自由基（・OH），其反应方程式为：Fe^{2+}+H_2O_2\rightarrowFe^{3+}+OH^-+\cdotOH。羟基自由基具有极高的氧化电位（2.80V），仅次于氟，能够与人工甜味剂等有机污染物发生氧化反应，通过攻击有机物分子中的不饱和键或芳香环，引发自由基链式反应，从而将人工甜味剂降解为小分子物质，最终矿化为二氧化碳、水和无害的无机盐。在Fenton氧化技术处理含人工甜味剂污水的研究中，众多实验表明其对人工甜味剂具有一定的降解效果。有研究以安赛蜜为目标污染物，考察Fenton氧化技术的降解能力。在适宜的反应条件下，当H₂O₂投加量为50mmol/L，Fe²⁺投加量为5mmol/L，pH值为3.5，反应时间为60min时，安赛蜜的降解率可达70%左右。对于三氯蔗糖，在类似的优化条件下，降解率也能达到60%-70%。然而，Fenton氧化技术的降解效果受到多种因素的影响。pH值是一个关键因素，在酸性条件下，Fenton试剂能够有效产生羟基自由基，随着pH值升高，亚铁离子会发生水解，生成氢氧化铁沉淀，降低其催化活性，从而影响羟基自由基的产生和反应速率。当pH值从3升高到5时，安赛蜜的降解率可能会从70%下降到50%左右。H₂O₂和Fe²⁺的投加量也会对降解效果产生显著影响。投加量过低，产生的羟基自由基数量不足，无法有效降解人工甜味剂；投加量过高，则会导致H₂O₂自身分解加剧，造成浪费，同时过量的Fe²⁺会使出水的色度和铁离子含量增加。当H₂O₂投加量从50mmol/L增加到100mmol/L时，三氯蔗糖的降解率可能并不会显著提高，反而会增加处理成本和后续处理难度。光催化氧化技术是另一种重要的高级氧化技术，其原理是利用光催化剂在光照条件下产生电子-空穴对，这些电子-空穴对与水和氧气反应生成具有强氧化性的羟基自由基和超氧自由基等活性物种，从而降解人工甜味剂。常用的光催化剂如二氧化钛（TiO₂），在紫外光照射下，TiO₂价带上的电子被激发跃迁到导带，形成电子-空穴对。空穴可以氧化吸附在催化剂表面的水，生成羟基自由基；电子则与氧气反应生成超氧自由基。这些活性物种能够攻击人工甜味剂分子，使其发生氧化降解。研究表明，光催化氧化技术对人工甜味剂具有良好的降解效果。在以TiO₂为光催化剂处理阿斯巴甜的实验中，当TiO₂投加量为1g/L，光照强度为500W，反应时间为120min时，阿斯巴甜的降解率可达85%以上。对于安赛蜜和三氯蔗糖，在优化的实验条件下，降解率也能分别达到75%和70%左右。光催化氧化技术的降解效果同样受到多种因素的影响。光催化剂的种类和性质对降解效果起着关键作用，不同的光催化剂具有不同的能带结构和光催化活性。除了TiO₂，氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）等也被用作光催化剂，但它们各自存在一些局限性，如ZnO在光照下易发生光腐蚀，CdS具有一定的毒性。光照强度和波长也会影响光催化反应速率，一般来说，光照强度越强，光生载流子的产生速率越快，降解效果越好；不同波长的光对光催化剂的激发效率不同，紫外光对TiO₂的激发效果较好，但紫外光源的成本较高。溶液的pH值、温度以及共存物质等也会对光催化氧化效果产生影响。在碱性条件下，某些人工甜味剂的降解率可能会提高，但同时也可能会影响光催化剂的稳定性；溶液中存在的一些阴离子，如氯离子、硫酸根离子等，可能会与人工甜味剂竞争活性物种，从而降低降解率。高级氧化技术在处理含人工甜味剂污水方面具有广阔的应用前景。与传统污水处理技术相比，高级氧化技术能够有效降解化学性质稳定、难以生物降解的人工甜味剂，提高污水处理厂对人工甜味剂的去除效率，减少其对水环境的污染。然而，目前高级氧化技术在实际应用中仍面临一些挑战。Fenton氧化技术需要在酸性条件下进行，反应结束后需要对废水进行中和处理，增加了处理成本和操作复杂性；光催化氧化技术则存在光催化剂的回收和固定化难题，以及对光源的依赖，限制了其大规模应用。未来的研究可以朝着优化反应条件、开发新型高效的光催化剂和催化剂固定化技术、降低运行成本等方向展开，以推动高级氧化技术在人工甜味剂去除领域的实际应用。5.3吸附技术吸附技术是利用吸附剂的吸附作用来去除污水中人工甜味剂的一种方法。活性炭作为一种常用的吸附剂，具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，这使得它能够提供大量的吸附位点，从而对人工甜味剂表现出较好的吸附性能。活性炭的吸附过程主要包括物理吸附和化学吸附。物理吸附是基于分子间的范德华力，活性炭表面的孔隙能够容纳人工甜味剂分子，使其附着在表面。化学吸附则涉及活性炭表面的官能团与人工甜味剂分子之间的化学反应，形成化学键或络合物，增强吸附作用。黏土矿物也是一类具有吸附能力的材料。黏土矿物的晶体结构中存在着可交换的阳离子，这些阳离子能够与人工甜味剂分子发生离子交换反应，从而实现对人工甜味剂的吸附。黏土矿物的表面电荷性质和离子交换容量对其吸附性能有重要影响。带负电荷的黏土矿物表面能够吸引带正电荷的人工甜味剂分子，通过静电作用实现吸附。不同类型的黏土矿物，如蒙脱石、高岭土等，由于其晶体结构和化学组成的差异，对人工甜味剂的吸附容量和选择性也有所不同。吸附剂对人工甜味剂的吸附容量受到多种因素的影响。吸附剂的比表面积越大，能够提供的吸附位点就越多，吸附容量通常也越高。活性炭的比表面积一般在500-1500m²/g之间，比表面积较大的活性炭对人工甜味剂的吸附容量相对较高。吸附质（人工甜味剂）的浓度也会影响吸附容量，在一定范围内，随着人工甜味剂浓度的增加，吸附容量会相应增大，但当达到吸附平衡后，继续增加浓度，吸附容量不再显著变化。吸附动力学研究吸附过程中吸附量随时间的变化规律。在吸附初期，由于吸附剂表面的吸附位点充足，人工甜味剂分子能够迅速被吸附，吸附速率较快。随着吸附的进行，吸附剂表面的吸附位点逐渐被占据，吸附速率逐渐减慢，最终达到吸附平衡。吸附动力学模型，如准一级动力学模型、准二级动力学模型等，可以用于描述吸附过程，通过对实验数据的拟合，确定吸附速率常数等参数，深入了解吸附过程的机制。溶液的pH值是影响吸附效果的重要因素之一。不同的人工甜味剂在不同pH值条件下的存在形态不同，这会影响它们与吸附剂之间的相互作用。对于一些带有酸性或碱性基团的人工甜味剂，在酸性或碱性条件下，其分子的带电状态会发生改变，从而影响与吸附剂表面的静电作用和吸附能力。温度也会对吸附效果产生影响，一般来说，温度升高，分子的热运动加剧，可能会使吸附质与吸附剂之间的结合力减弱，导致吸附容量下降。但对于某些化学吸附过程，适当升高温度可能会促进化学反应的进行，提高吸附速率。共存物质的存在也可能对吸附效果产生干扰。污水中可能存在的其他有机物、离子等，会与人工甜味剂竞争吸附剂表面的吸附位点，从而降低对人工甜味剂的吸附效果。如果污水中存在大量的腐殖酸等有机物，它们会优先吸附在活性炭表面，减少活性炭对人工甜味剂的吸附容量。六、去除方法的比较与优化策略6.1不同去除方法的综合比较传统污水处理方法如活性污泥法、曝气生物滤池法和厌氧氨氧化反应器法在去除人工甜味剂方面各有特点。活性污泥法是应用广泛的传统工艺，对部分可生物降解的人工甜味剂，如阿斯巴甜，有一定的去除能力，去除率可达40%-60%。但对于化学性质稳定、难以生物降解的安赛蜜和三氯蔗糖，去除率通常仅在10%-20%左右。从成本角度看，活性污泥法的建设成本相对适中，设备主要包括曝气池、二沉池等常规设施，运行成本主要涉及曝气能耗、污泥处理费用等。其对环境的影响相对较小，产生的污泥可通过合理处理进行资源化利用，但由于对部分人工甜味剂去除效果不佳，导致其随出水排放，可能对受纳水体生态系统产生潜在风险。曝气生物滤池法是一种生物膜法处理工艺，对人工甜味剂的去除效果略优于活性污泥法。对于阿斯巴甜，去除率可达60%-70%，安赛蜜和三氯蔗糖的去除率分别可达30%-40%和20%-30%。该方法的建设成本相对较低，由于不需设二沉池，水力负荷、容积负荷高，可节省占地面积。但运行成本方面，其反冲洗需要消耗大量的水和能源，增加了运行成本。曝气生物滤池法对环境的影响也较小，不过同样存在因部分人工甜味剂去除不完全而对水环境产生潜在污染的问题。厌氧氨氧化反应器法主要针对氨氮的去除，对人工甜味剂的去除能力相对有限。在厌氧氨氧化反应器中，安赛蜜去除率约为17%，三氯蔗糖去除率约为12%，阿斯巴甜去除率约为38%。其建设成本相对较高，需要专门的厌氧反应器和配套设施。运行成本相对较低，无需额外投加有机碳源，污泥产量少，降低了污泥处理成本。但由于对人工甜味剂去除效果不佳，其出水可能对环境造成一定的污染。新型技术如膜技术、高级氧化技术和吸附技术在人工甜味剂去除方面展现出独特优势，但也存在一些问题。膜技术中的反渗透和纳滤对人工甜味剂具有较高的去除效率，反渗透膜对安赛蜜的去除率可达95%以上，对三氯蔗糖的去除率也能达到90%-95%；纳滤膜对安赛蜜的去除率通常在80%-90%之间，对三氯蔗糖的去除率在70%-80%左右。然而，膜技术的能耗较高，反渗透和纳滤过程需要在较高压力下进行，增加了运行成本。且膜污染问题严重，污水中的悬浮物、胶体物质、微生物以及溶解性有机物等会在膜表面和膜孔内积累，导致膜通量下降，截留性能变差。膜技术的设备投资成本也较高，膜的价格相对昂贵，且使用寿命有限，需要定期更换。高级氧化技术如Fenton氧化和光催化氧化能够有效降解人工甜味剂。Fenton氧化在适宜条件下，对安赛蜜的降解率可达70%左右，对三氯蔗糖的降解率也能达到60%-70%；光催化氧化对阿斯巴甜的降解率可达85%以上，对安赛蜜和三氯蔗糖的降解率也能分别达到75%和70%左右。但Fenton氧化需要在酸性条件下进行，反应结束后需对废水进行中和处理，增加了处理成本和操作复杂性。光催化氧化存在光催化剂的回收和固定化难题，以及对光源的依赖，限制了其大规模应用。吸附技术中，活性炭和黏土矿物等吸附剂对人工甜味剂有一定的吸附能力。活性炭具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，对人工甜味剂的吸附效果较好。吸附技术的成本相对较低，吸附剂价格相对便宜，且部分吸附剂可重复使用。但其吸附容量有限，受吸附剂种类、溶液pH值、温度等因素影响较大，吸附效果不够稳定。综合来看，不同去除方法在去除效率、成本、环境影响等方面存在显著差异。传统方法成本相对较低，但去除效率有限；新型技术去除效率高，但成本和环境影响方面存在挑战。6.2影响去除效果的因素分析pH值对人工甜味剂的去除效果有着显著影响，不同的污水处理方法和人工甜味剂种类，受pH值影响的程度和表现各不相同。在活性污泥法中，微生物的代谢活动对pH值较为敏感，适宜的pH值范围通常在6.5-8.5之间。当pH值超出这个范围时，微生物的酶活性会受到抑制，从而影响其对人工甜味剂的分解代谢能力。对于阿斯巴甜，在适宜的pH值条件下，活性污泥中的微生物能够分泌相应的酶，将其有效分解。但当pH值过低，如低于6时，微生物的酶活性下降，对阿斯巴甜的分解速率减缓，去除率降低。对于安赛蜜和三氯蔗糖等难以生物降解的人工甜味剂，虽然它们本身的化学结构在常规pH值范围内相对稳定，但pH值的变化会影响活性污泥的性质和微生物群落结构，进而间接影响对它们的去除效果。在酸性条件下，活性污泥的絮凝性能可能会变差，导致对人工甜味剂的吸附能力下降，使得安赛蜜和三氯蔗糖的去除率进一步降低。在高级氧化技术中，以Fenton氧化为例，pH值是影响反应的关键因素。Fenton试剂在酸性条件下（一般pH值为3-5）能够有效产生羟基自由基。当pH值过高时，亚铁离子会发生水解，生成氢氧化铁沉淀，降低其催化活性，导致羟基自由基的产生量减少，从而削弱对人工甜味剂的氧化降解能力。在处理含安赛蜜的污水时，当pH值从3升高到5时，安赛蜜的降解率可能会从70%下降到50%左右。在光催化氧化中，pH值会影响光催化剂的表面电荷性质和人工甜味剂的存在形态，进而影响光催化反应的进行。在碱性条件下，某些人工甜味剂可能会发生质子化或去质子化反应，改变其与光催化剂表面的相互作用方式，影响光催化降解效果。温度对人工甜味剂去除效果的影响主要体现在对微生物活性和化学反应速率的影响上。在传统污水处理方法中，活性污泥法和曝气生物滤池法等生物处理工艺，微生物的生长和代谢活动与温度密切相关。一般来说，微生物的最适生长温度在20-35℃之间。当温度低于15℃时，微生物的代谢速率明显降低，酶的活性受到抑制，导致对人工甜味剂的分解能力下降。在冬季水温较低时，活性污泥法对阿斯巴甜的去除率可能会从正常温度下的40%-60%降至30%左右。而当温度高于40℃时，微生物的蛋白质和酶可能会发生变性，同样影响其代谢功能，降低对人工甜味剂的去除效果。在新型技术中，吸附技术受温度影响较为明显。对于活性炭吸附人工甜味剂，温度升高，分子的热运动加剧，可能会使吸附质与吸附剂之间的结合力减弱，导致吸附容量下降。但对于某些化学吸附过程，适当升高温度可能会促进化学反应的进行，提高吸附速率。在一定范围内，当温度从25℃升高到35℃时，活性炭对阿斯巴甜的吸附容量可能会略有下降，但吸附速率会有所提高。在膜技术中，温度对膜的性能也有影响。温度升高，水分子的扩散速率加快，可能会提高膜的通量，但同时也可能导致膜的稳定性下降，增加膜污染的风险。微生物种类在污水处理过程中对人工甜味剂的去除起着关键作用。不同种类的微生物具有不同的代谢途径和酶系统，对人工甜味剂的分解能力也各不相同。在活性污泥中，存在着多种微生物，包括细菌、真菌、原生动物等。其中，一些细菌能够利用人工甜味剂作为碳源或能源进行生长代谢，如某些假单胞菌属的细菌对阿斯巴甜具有较好的分解能力。而真菌则可能通过分泌胞外酶，对人工甜味剂进行初步的分解和转化。原生动物可以捕食细菌和其他微生物，调节活性污泥中微生物的群落结构，间接影响人工甜味剂的去除效果。在曝气生物滤池中，生物膜上的微生物种类更加丰富，除了常见的细菌和真菌外，还存在着一些特殊的微生物，如硝化细菌、反硝化细菌等。这些微生物在去除氨氮等污染物的同时，也可能对人工甜味剂产生一定的作用。一些硝化细菌可能会利用人工甜味剂分解产生的小分子物质作为营养源，促进自身的生长和代谢，从而间接提高对人工甜味剂的去除效果。不同微生物之间的相互作用也会影响人工甜味剂的去除。微生物之间可能存在共生、竞争等关系，合理的微生物群落结构能够提高对人工甜味剂的去除效率。如果活性污泥中存在大量能够分解人工甜味剂的微生物，同时这些微生物之间不存在激烈的竞争关系，就能够更有效地去除人工甜味剂。6.3联合处理工艺的构建与优化为了提高人工甜味剂的去除效果，本研究尝试构建联合处理工艺，将不同的处理方法进行组合，充分发挥各方法的优势，以实现更高效的去除。一种可行的联合处理工艺方案是将吸附技术与高级氧化技术相结合。首先利用活性炭的吸附作用，对污水中的人工甜味剂进行初步富集。活性炭具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，能够快速吸附人工甜味剂，降低污水中人工甜味剂的浓度。将经过活性炭吸附处理后的污水进行高级氧化处理，如采用Fenton氧化技术。Fenton氧化产生的强氧化性羟基自由基能够进一步分解吸附在活性炭表面以及溶液中的人工甜味剂，将其降解为小分子物质，实现深度去除。这种联合工艺的优势在于，吸附技术能够快速降低人工甜味剂的浓度，减轻后续高级氧化处理的负担；而高级氧化技术则能够有效降解吸附后