CN105712484B - 一种用于偶氮染料降解的cw-mfc耦合系统及其降解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于偶氮染料降解的CW‑MFC耦合系统及其降解方法，包括下层的阳极区域、上层的阴极区域；所述阴极区域分设为第一阴极区域、第二阴极区域，第一阴极区域与阳极区域之间可透水相接，第二阴极区域与第一阴极区域、阳极区域之间均不透水相邻；在阳极区域设有进水口和进水阀，在第二阴极区域设有多个出水口和出水阀；在系统的阴极区域种有挺水植物。第一阴极区域与第二阴极区域的体积比设置为3:7至7:3之间，流经第一阴极区域的水流以跌水的方式进入第二阴极区域；所述第一阴极区域与阳极区域之间设有透水挡板；第二阴极区域与第一阴极区域、阳极区域之间均设有不透水挡板。本发明结构简单，阴极性能优化、能使偶氮染料完全充分地降解。

Description

一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统及其降解方法

技术领域

本发明属于能源与水处理技术领域，具体涉及一种用于偶氮染料降解的人工湿地与微生物燃料电池耦合系统及其降解方法。

背景技术

近年来，随着人们生活品质的提高，印染与染料工业迅速的发展，染料的数量和品种不断地增多，由印染废水造成的环境污染亦日益严重。据报道，在生产和使用过程中，约有20％～30％的染料被释放到环境中。偶氮染料的污染特点是污染量大，即使浓度很低，也可以使水体的透光率降低，破换水体的生态系统，而且偶氮染料分解出来的芳香胺类化合物对人体有潜在的致癌性。偶氮染料结构稳定，具有抗酸、抗碱、抗微生物和抗光等特性，可以长时间的滞留在环境中，因此存在长期的危害。

微生物燃料电池(MFC)技术由于创新性和环境效益在近年来被广泛地开发。而且，研究发现偶氮染料可以在MFC中得到降解，同时回收电能。在MFC的阳极，有机物在电化学微生物的作用下氧化，电化学微生物将氧化的电子传递给阳极，进一步通过外电路传递至阴极从而产生电流。同时，质子通过离子交换膜转移至阴极并与偶氮染料和电子结合，从而使偶氮键断裂，染料脱色生成可生化降解的芳香胺类物质(Frijters C T M J，Vos R H，Scheffer G，et al.Decol-orizing and detoxifying textile wastewater，containingboth soluble and insoluble dyes，in a full scale combined anaerobic/aerobicsystem[J].Water Research，2006，40(6):1249-1257)。

人工湿地(CW)由于自身的构造、基质以及植物的作用，使得CW内部系统的不同位置有着不同的氧化还原电位，CW系统的这一特性使得其与微生物燃料电池耦合成为现实。人工湿地基质表面栖息着大量微生物，为偶氮染料的脱色降解奠定了良好的生物基础。人工湿地表面种有根系发达、泌氧性能良好的挺水植物，为芳香胺类物质的降解提供了良好的好氧环境。耦合后的系统拓宽了人工湿地处理污染物的种类，同时增大MFC系统的处理规格，故人工湿地和微生物染料电池耦合系统(CW-MFC)也被运用到偶氮染料的处理上。

但是目前传统CW-MFC系统在偶氮染料脱色过程中，由于耦合装置阴极区域的溶解氧浓度以及处理的容量有限，未能有效的去除偶氮染料降解所产生的芳香胺类物质，进而导致出水中含有毒性更强的产物且存在有机物浓度可能升高的现象。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种结构简单，阴极性能优化、能使偶氮染料充分降解的CW-MFC耦合系统及其降解方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统，包括下层的阳极区域、上层的阴极区域；所述阴极区域分设为第一阴极区域、第二阴极区域，第一阴极区域与阳极区域之间可透水相接，第二阴极区域与第一阴极区域、阳极区域之间均不透水相邻；在阳极区域设有进水口和进水阀，在第二阴极区域设有多个出水口和出水阀；在系统的阴极区域种有挺水植物。

优选的，第一阴极区域与第二阴极区域的体积比设置为3:7至7:3之间，流经第一阴极区域的水流以跌水的方式进入第二阴极区域。

进一步的，所述第一阴极区域与阳极区域之间设有透水挡板；所述第二阴极区域与第一阴极区域、阳极区域之间均设有不透水挡板。

进一步的，所述透水挡板的下方埋设有一层鹅卵石，所述鹅卵石的粒径为15～25mm。

进一步的，所述阳极区域的填料从系统的进水口延伸依次为普通砾石、活性炭颗粒。

进一步的，阳极区域中，普通砾石填料的宽度范围为6～8cm，活性炭颗粒填料的宽度范围为22～24cm。

进一步的，所述第一阴极区域的填料分为三层，从下到上依次为普通砾石、活性炭颗粒和普通砾石；所述第二阴极区域填料分为两层，从上到下依次为活性炭颗粒和普通砾石。

进一步的，第一阴极区域中，第一层普通砾石填料的厚度为20～25cm，第二层活性炭颗粒填料的厚度为5～10cm，第三层普通砾石填料的厚度为12～18cm；第二阴极区域中，第一层活性炭颗粒填料的厚度为5～15cm。

进一步的，所述普通砾石的粒径为4～8mm，活性炭颗粒的粒径为3～5mm。

一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统的降解方法，包括如下步骤：

S1、含有偶氮染料的污水通过蠕动泵泵入系统的进水口，在阳极区域的厌氧环境下，产电菌通过分解简单的有机物产生电子与质子，偶氮键与电子和质子相结合裂解产生芳香胺；

S2、阴极区域放置在挺水植物的根系区，由于植根的泌氧系统，该区域处于好氧的环境中，阳极区域的处理水通过透水挡板进入第一阴极区域，在该区域大部分的芳香胺类化合物开始发生降解，并生成简单的有机物；

S3、第一阴极区域的水流以跌水的方式进入第二阴极区域，同时第二阴极区域与大气直接接触，使得第二阴极区域水体中溶解氧的浓度增加，水体中未被降解的部分芳香胺类化合物在第二阴极区域继续降解，而芳香胺类降解的简单产物在溶氧充足的第二阴极区域完全降解。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明CW-MFC系统在偶氮染料的处理上相比于单一的系统，耦合后的系统有着更多的优势：由于芳香胺类化合物一般在好氧条件下才能被降解，本发明通过对阴极区域的分割，增加了传统装置中阴极室的个数，并进一步改善了阴极区域的水流途径，同时增加了水流与阴极区填料的接触面积。流经第一阴极室的水流以跌水的方式进入第二个阴极室，可以显著提高水流中溶解氧浓度，为充分降解阳极室中所产生的芳香胺类物质的创造了良好的条件。

本发明结构简单，通过挡板分割阴极区域，实现了对阴极区域构造与性能的优化、并营造了阴极区域的好氧环境，不仅经济实惠、操作简单且不存在氧气扩散至阳极区域而导致其降解性能降低的现象，在净化污水的同时还可以产生电量，减少了污水的水力停留时间，提高了污染物的处理效率。

2)、本发明CW系统内部大多呈现出厌氧的状态，保证了耦合系统中阳极区域的严格厌氧环境，在耦合系统处理偶氮染料的实验中，偶氮键在阳极区域被打开，水体的颜色随着偶氮键的断裂而逐渐消失，偶氮键得到电子后裂解产生芳香胺类物质；再通过阴极区域的好氧环境充分降解芳香胺类物质。

附图说明

图1为本发明耦合系统的结构简示图。

图中标注符号的含义如下：

1-阳极区域 10-进水口 2-阴极区域 20-第一阴极区域

21-第二阴极区域 22-出水口 3-透水挡板 4-不透水挡板

5-挺水植物 A-普通砾石 B-活性炭颗粒 C-鹅卵石

具体实施方式

下面将结合实施例及附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统

包括下层的阳极区域1、上层的阴极区域2；阴极区域2分设为第一阴极区域20、第二阴极区域21，第一阴极区域20与阳极区域1之间可透水相接，第二阴极区域21与第一阴极区域20、阳极区域1之间均不透水相邻；在阳极区域1设有进水口10和进水阀，在第二阴极区域21设有多个出水口22和出水阀；在系统的阴极区域2种有根系发达、泌氧性能良好的挺水植物5。

第一阴极区域20与第二阴极区域21的体积比设置为3:7至7:3之间，流经第一阴极区域20的水流以跌水的方式进入第二阴极区域21。

具体的，第一阴极区域20与阳极区域1之间设有透水挡板3，阳极区域1的处理水通过透水挡板3进入第一阴极区域20；第二阴极区域21与第一阴极区域20、阳极区域1之间均设有不透水挡板4，从而将原先的阴极区域2一分为二。

为了防止透水挡板3处发生堵塞，透水挡板3的下方埋设有一层鹅卵石C，鹅卵石C的粒径为15～25mm。

阳极区域1的填料从系统的进水口10延伸依次为普通砾石A、活性炭颗粒B，活性炭颗粒B具有强大的吸附性能以及便于微生物的附着的优点。阳极区域1中，普通砾石A填料的宽度范围为6～8cm，活性炭颗粒B填料的宽度范围为22～24cm。阳极区域1处于厌氧的环境，在厌氧的条件下，产电菌通过分解简单的有机物产生大量的电子与质子，偶氮键与电子和质子相结合裂解产生芳香胺。芳香胺类化合物属于致癌物质，一般在好氧条件下才能被降解。

第一阴极区域20的填料分为三层，从下到上依次为普通砾石A、活性炭颗粒B和普通砾石A；其中，第一层普通砾石A填料的厚度为20～25cm，第二层活性炭颗粒B填料的厚度为5～10cm，第三层普通砾石A填料的厚度为12～18cm；阴极区域2放置在植物的根系区，由于植根的泌氧系统，该区域处于好氧的环境中。

第二阴极区域21填料分为两层，从上到下依次为活性炭颗粒B和普通砾石A，其中第一层活性炭颗粒B填料的厚度为5～15cm，剩下的区域均填设普通砾石A；第二阴极区域21与大气直接接触，又因第一阴极区域20的跌落进水，使得水体中溶解氧的浓度增加。

上述挺水植物7选自根系发达、泌氧性能良好的芦苇。普通砾石A的粒径为4～8mm，活性炭颗粒B的粒径为3～5mm。

上述CW-MFC耦合系统的降解方法

包括如下步骤：

S1、含有偶氮染料的污水通过蠕动泵泵入系统的进水口10，在阳极区域1的厌氧环境下，产电菌通过分解简单的有机物产生电子与质子，染料中的偶氮键与电子和质子相结合裂解产生芳香胺；

S2、阴极区域2放置在挺水植物5的根系区，由于植根的泌氧系统，该区域处于好氧的环境中，阳极区域1的处理水通过透水挡板3进入第一阴极区域20，在该区域大部分的芳香胺类化合物开始发生降解，并生成简单的有机物；

S3、第一阴极区域20的水流以跌水的方式进入第二阴极区域21，同时第二阴极区域21与大气直接接触，使得第二阴极区域21水体中溶解氧的浓度增加，水体中未被降解的部分芳香胺类化合物在第二阴极区域21继续降解，而芳香胺类降解的简单产物在溶氧充足的第二阴极区域21完全降解。

下面结合具体实施例对本系统的降解过程做出如下的详细说明。

实施例1

实验设计如下：

实验目的：研究本系统在处理不同种类及结构上存在差异的偶氮染料时的能力与效果，本实验的目标污染物以活性艳红X-3B与刚果红为例。

染料简介：

活性艳红X-3B化学结构为：

刚果红化学结构为：

实验参数：第一阴极区域20与第二阴极区域21的体积比为5:5，水力停留时间HRT为3d，采取连续进水运行方式。

实验内容：对比的两组实验进水中活性艳红X-3B与刚果浓度均为100～300mg/L；选择葡萄糖作为共基质，且进水中的葡萄糖的浓度均为120mg/L。

实验结果表明：在预先设置实验参数的运行下，两组实验的各项指标均能达到较好的去除效果：偶氮染料的脱色率均高达95％以上，COD的去除率为92％以上。

实施例2

实验设计如下：

实验目的：调整第一阴极区域20与第二阴极区域21的体积比值，确定出不同体积比值下所能处理目标污染物的最优浓度范围和最佳HRT，本实验的目标污染物以活性艳红X-3B为例。

染料简介：

活性艳红X-3B化学结构为：

实验参数：第一阴极区域20与第二阴极区域21的体积比分别设为3:7、5:5、7:3，HRT为2、3、4d，采取连续进水运行方式。

实验内容：对比的三组实验中第一阴极区域20与第二阴极区域21的体积比依次为3:7、5:5、7:3；对比的三组实验进水中活性艳红X-3B的分别对应取100～200mg/L、200～300mg/L、300～400mg/L三个浓度区间；选择葡萄糖作为共基质，且进水中的葡萄糖的浓度均为200mg/L。

实验结果表明：当进水中的染料浓度较低为100～200mg/L时，三组实验中的染料脱色率与COD去除率均能达到较好的去除效果，去除效率均为92％以上；当进水中的染料浓度为200～300mg/L时，体积比为3:7、5:5的装置在HRT为2和3天的时，实验中染料脱色率与COD去除率均能达到较好的去除效果，去除效率均为90％以上，而体积比为7:3时，达到同样去除效果则需要更长的HRT；当进水中的染料浓度较高为300～400mg/L时，在相同HRT的前提下，三组实验中活性艳红X-3B的脱色率相差不大，但体积比为3:7时，COD去除率较后两者有明显提高，相比于后两者70％～85％的COD去除率，体积比为3:7的COD去除率在此基础上提高了8％以上。

本发明第一阴极区域20与第二阴极区域21的体积比除实施例中出现的比例，还可以设置成其他比例，如4:6，6:4等，并且处理的目标污染物不局限于以上两种。基于本装置所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统，其特征在于：包括下层的阳极区域（1）、上层的阴极区域（2）；所述阴极区域（2）分设为第一阴极区域（20）、第二阴极区域（21），第一阴极区域（20）与阳极区域（1）之间可透水相接，第二阴极区域（21）与第一阴极区域（20）、阳极区域（1）之间均不透水相邻；在阳极区域（1）设有进水口（10）和进水阀，在第二阴极区域（21）设有出水口（22）和出水阀；在系统的阴极区域（2）种有挺水植物（5）；

其中，流经第一阴极区域（20）的水流以跌水的方式进入第二阴极区域（21）；所述第一阴极区域（20）与阳极区域（1）之间设有透水挡板（3）；所述第二阴极区域（21）与第一阴极区域（20）、阳极区域（1）之间均设有不透水挡板（4）。

2.根据权利要求1所述的一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统，其特征在于：第一阴极区域（20）与第二阴极区域（21）的体积比设置为3:7至7:3之间。

3.根据权利要求2所述的一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统，其特征在于：所述透水挡板（3）的下方埋设有一层鹅卵石（C），所述鹅卵石（C）的粒径为15~25mm。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统，其特征在于：所述阳极区域（1）的填料从系统的进水口（10）延伸依次为普通砾石（A）、活性炭颗粒（B）。

5.根据权利要求4所述的一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统，其特征在于：阳极区域（1）中，普通砾石（A）填料的宽度范围为6~8cm，活性炭颗粒（B）填料的宽度范围为22~24cm。

6.根据权利要求1～3任一项所述的一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统，其特征在于：所述第一阴极区域（20）的填料分为三层，从下到上依次为普通砾石（A）、活性炭颗粒（B）和普通砾石（A）；所述第二阴极区域（21）填料分为两层，从上到下依次为活性炭颗粒（B）和普通砾石（A）。

7.根据权利要求6所述的一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统，其特征在于：第一阴极区域（20）中，第一层普通砾石（A）填料的厚度为20~25cm，第二层活性炭颗粒（B）填料的厚度为5~10cm，第三层普通砾石（A）填料的厚度为12~18cm；第二阴极区域（21）中，第一层活性炭颗粒（B）填料的厚度为5~15cm。

8.根据权利要求5或7所述的一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统，其特征在于：所述普通砾石（A）的粒径为4~8mm，活性炭颗粒（B）的粒径为3~5mm。

9.一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统的降解方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、含有偶氮染料的污水通过蠕动泵泵入系统的进水口（10），在阳极区域（1）的厌氧环境下，产电菌通过分解简单的有机物产生电子与质子，染料中的偶氮键与电子和质子相结合裂解产生芳香胺；

S2、阴极区域（2）放置在挺水植物（5）的根系区，由于植根的泌氧系统，该区域处于好氧的环境中，阳极区域（1）的处理水通过透水挡板（3）进入第一阴极区域（20），在该区域大部分的芳香胺类化合物开始发生降解，并生成简单的有机物；

S3、第一阴极区域（20）的水流以跌水的方式进入第二阴极区域（21），同时第二阴极区域（21）与大气直接接触，使得第二阴极区域（21）水体中溶解氧的浓度增加，水体中未被降解的部分芳香胺类化合物在第二阴极区域（21）继续降解，而芳香胺类降解的简单产物在溶氧充足的第二阴极区域（21）完全降解。