一種用于偶氮染料降解的cw-mfc耦合系統(tǒng)及其降解方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于能源與水處理技術領域，具體設及一種用于偶氮染料降解的人工濕地 與微生物燃料電池禪合系統(tǒng)及其降解方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著人們生活品質(zhì)的提高，印染與染料工業(yè)迅速的發(fā)展，染料的數(shù)量和品 種不斷地增多，由印染廢水造成的環(huán)境污染亦日益嚴重。據(jù)報道，在生產(chǎn)和使用過程中，約 有20 %~30%的染料被釋放到環(huán)境中。偶氮染料的污染特點是污染量大，即使?jié)舛群艿?，?可W使水體的透光率降低，破換水體的生態(tài)系統(tǒng)，而且偶氮染料分解出來的芳香胺類化合 物對人體有潛在的致癌性。偶氮染料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有抗酸、抗堿、抗微生物和抗光等特性，可 W長時間的滯留在環(huán)境中，因此存在長期的危害。
[0003] 微生物燃料電池(MFC)技術由于創(chuàng)新性和環(huán)境效益在近年來被廣泛地開發(fā)。而且， 研究發(fā)現(xiàn)偶氮染料可W在MFC中得到降解，同時回收電能。在MFC的陽極，有機物在電化學微 生物的作用下氧化，電化學微生物將氧化的電子傳遞給陽極，進一步通過外電路傳遞至陰 極從而產(chǎn)生電流。同時，質(zhì)子通過離子交換膜轉(zhuǎn)移至陰極并與偶氮染料和電子結(jié)合，從而使 偶氮鍵斷裂，染料脫色生成可生化降解的芳香胺類物質(zhì)（Frijters C T Μ J，Vos R H， Scheffer G，et al.Decol-orizing and detoxifying textile wastewater，containing both soluble and insoluble dyes，in a full scale combined anaerobic/aerobic system[J].Water Research,2006,40(6):1249-1257)〇
[0004] 人工濕地(CW)由于自身的構(gòu)造、基質(zhì)W及植物的作用，使得CW內(nèi)部系統(tǒng)的不同位 置有著不同的氧化還原電位，CW系統(tǒng)的運一特性使得其與微生物燃料電池禪合成為現(xiàn)實。 人工濕地基質(zhì)表面棲息著大量微生物，為偶氮染料的脫色降解奠定了良好的生物基礎。人 工濕地表面種有根系發(fā)達、泌氧性能良好的挺水植物，為芳香胺類物質(zhì)的降解提供了良好 的好氧環(huán)境。禪合后的系統(tǒng)拓寬了人工濕地處理污染物的種類，同時增大MFC系統(tǒng)的處理規(guī) 格，故人工濕地和微生物染料電池禪合系統(tǒng)(CW-MFC)也被運用到偶氮染料的處理上。
[0005] 但是目前傳統(tǒng)CW-MFC系統(tǒng)在偶氮染料脫色過程中，由于禪合裝置陰極區(qū)域的溶解 氧濃度W及處理的容量有限，未能有效的去除偶氮染料降解所產(chǎn)生的芳香胺類物質(zhì)，進而 導致出水中含有毒性更強的產(chǎn)物且存在有機物濃度可能升高的現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對上述現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡單，陰極性能優(yōu)化、能使偶 氮染料充分降解的CW-MFC禪合系統(tǒng)及其降解方法。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了 W下技術方案：
[000引一種用于偶氮染料降解的CW-MFC禪合系統(tǒng)，包括下層的陽極區(qū)域、上層的陰極區(qū) 域;所述陰極區(qū)域分設為第一陰極區(qū)域、第二陰極區(qū)域，第一陰極區(qū)域與陽極區(qū)域之間可透 水相接，第二陰極區(qū)域與第一陰極區(qū)域、陽極區(qū)域之間均不透水相鄰;在陽極區(qū)域設有進水 口和進水閥，在第二陰極區(qū)域設有多個出水口和出水閥;在系統(tǒng)的陰極區(qū)域種有挺水植物。
[0009] 優(yōu)選的，第一陰極區(qū)域與第二陰極區(qū)域的體積比設置為3:7至7:3之間，流經(jīng)第一 陰極區(qū)域的水流W跌水的方式進入第二陰極區(qū)域。
[0010] 進一步的，所述第一陰極區(qū)域與陽極區(qū)域之間設有透水擋板;所述第二陰極區(qū)域 與第一陰極區(qū)域、陽極區(qū)域之間均設有不透水擋板。
[0011] 進一步的，所述透水擋板的下方埋設有一層碟卵石，所述碟卵石的粒徑為15~ 25mm 〇
[0012] 進一步的，所述陽極區(qū)域的填料從系統(tǒng)的進水口延伸依次為普通堿石、活性炭顆 粒。
[OOU]進一步的，陽極區(qū)域中，普通堿石填料的寬度范圍為6~8cm，活性炭顆粒填料的寬 度范圍為22~24畑1。
[0014] 進一步的，所述第一陰極區(qū)域的填料分為Ξ層，從下到上依次為普通堿石、活性炭 顆粒和普通堿石;所述第二陰極區(qū)域填料分為兩層，從上到下依次為活性炭顆粒和普通堿 石。
[0015] 進一步的，第一陰極區(qū)域中，第一層普通堿石填料的厚度為20~25cm，第二層活性 炭顆粒填料的厚度為5~10cm，第Ξ層普通堿石填料的厚度為12~18cm;第二陰極區(qū)域中， 第一層活性炭顆粒填料的厚度為5~15cm。
[0016] 進一步的，所述普通堿石的粒徑為4~8mm，活性炭顆粒的粒徑為3~5mm。
[0017] -種用于偶氮染料降解的CW-MFC禪合系統(tǒng)的降解方法，包括如下步驟：
[0018] S1、含有偶氮染料的污水通過蠕動累累入系統(tǒng)的進水口，在陽極區(qū)域的厭氧環(huán)境 下，產(chǎn)電菌通過分解簡單的有機物產(chǎn)生電子與質(zhì)子，偶氮鍵與電子和質(zhì)子相結(jié)合裂解產(chǎn)生 芳香胺；
[0019] S2、陰極區(qū)域放置在挺水植物的根系區(qū)，由于植根的泌氧系統(tǒng)，該區(qū)域處于好氧的 環(huán)境中，陽極區(qū)域的處理水通過透水擋板進入第一陰極區(qū)域，在該區(qū)域大部分的芳香胺類 化合物開始發(fā)生降解，并生成簡單的有機物；
[0020] S3、第一陰極區(qū)域的水流W跌水的方式進入第二陰極區(qū)域，同時第二陰極區(qū)域與 大氣直接接觸，使得第二陰極區(qū)域水體中溶解氧的濃度增加，水體中未被降解的部分芳香 胺類化合物在第二陰極區(qū)域繼續(xù)降解，而芳香胺類降解的簡單產(chǎn)物在溶氧充足的第二陰極 區(qū)域完全降解。
[0021] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0022] 1)、本發(fā)明CW-MFC系統(tǒng)在偶氮染料的處理上相比于單一的系統(tǒng)，禪合后的系統(tǒng)有 著更多的優(yōu)勢：由于芳香胺類化合物一般在好氧條件下才能被降解，本發(fā)明通過對陰極區(qū) 域的分割，增加了傳統(tǒng)裝置中陰極室的個數(shù)，并進一步改善了陰極區(qū)域的水流途徑，同時增 加了水流與陰極區(qū)填料的接觸面積。流經(jīng)第一陰極室的水流W跌水的方式進入第二個陰極 室，可W顯著提高水流中溶解氧濃度，為充分降解陽極室中所產(chǎn)生的芳香胺類物質(zhì)的創(chuàng)造 了良好的條件。
[0023] 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，通過擋板分割陰極區(qū)域，實現(xiàn)了對陰極區(qū)域構(gòu)造與性能的優(yōu)化、 并營造了陰極區(qū)域的好氧環(huán)境，不僅經(jīng)濟實惠、操作簡單且不存在氧氣擴散至陽極區(qū)域而 導致其降解性能降低的現(xiàn)象，在凈化污水的同時還可W產(chǎn)生電量，減少了污水的水力停留 時間，提高了污染物的處理效率。
[0024] 2)、本發(fā)明CW系統(tǒng)內(nèi)部大多呈現(xiàn)出厭氧的狀態(tài)，保證了禪合系統(tǒng)中陽極區(qū)域的嚴 格厭氧環(huán)境，在禪合系統(tǒng)處理偶氮染料的實驗中，偶氮鍵在陽極區(qū)域被打開，水體的顏色隨 著偶氮鍵的斷裂而逐漸消失，偶氮鍵得到電子后裂解產(chǎn)生芳香胺類物質(zhì);再通過陰極區(qū)域 的好氧環(huán)境充分降解芳香胺類物質(zhì)。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明禪合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡示圖。
[0026] 圖中標注符號的含義如下：
[0027] 1-陽極區(qū)域10-進水口 2-陰極區(qū)域20-第一陰極區(qū)域
[0028] 21-第二陰極區(qū)域22-出水口 3-透水擋板4-不透水擋板 [00巧]5-挺水植物A-普通堿石B-活性炭顆粒C-碟卵石
【具體實施方式】
[0030]下面將結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明中的技術方案進行清楚、完整地描述。W下實 施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術方案，而不能W此來限制本發(fā)明的保護范圍。 [0031 ] -種用于偶氮染料降解的CW-MFC禪合系統(tǒng)
[0032] 包括下層的陽極區(qū)域1、上層的陰極區(qū)域2;陰極區(qū)域2分設為第一陰極區(qū)域20、第 二陰極區(qū)域21，第一陰極區(qū)域20與陽極區(qū)域1之間可透水相接，第二陰極區(qū)域21與第一陰極 區(qū)域20、陽極區(qū)域1之間均不透水相鄰;在陽極區(qū)域1設有進水口 10和進水閥，在第二陰極區(qū) 域21設有多個出水口 22和出水閥;在系統(tǒng)的陰極區(qū)域巧巾有根系發(fā)達、泌氧性能良好的挺水 植物5。
[0033] 第一陰極區(qū)域20與第二陰極區(qū)域21的體積比設置為3:7至7:3之間，流經(jīng)第一陰極 區(qū)域20的水流W跌水的方式進入第二陰極區(qū)域21。
[0034] 具體的，第一陰極區(qū)域20與陽極區(qū)域1之間設有透水擋板3,陽極區(qū)域1的處理水通 過透水擋板3進入第一陰極區(qū)域20;第二陰極區(qū)域21與第一陰極區(qū)域20、陽極區(qū)域1之間均 設有不透水擋板4,從而將原先的陰極區(qū)域2-分為二。
[0035] 為了防止透水擋板3處發(fā)生堵塞，透水擋板3的下方埋設有一層碟卵石C，碟卵石C 的粒徑為15~25mm。
[0036] 陽極區(qū)域1的填料從系統(tǒng)的進水口 10延伸依次為普通堿石A、活性炭顆粒B，活性炭 顆粒B具有強大的吸附性能W及便于微生物的附著的優(yōu)點。陽極區(qū)域1中，普通堿石A填料的 寬度范圍為6~8cm，活性炭顆粒B填料的寬度范圍為22~24cm。陽極區(qū)域1處于厭氧的環(huán)境， 在厭氧的條件下，產(chǎn)電菌通過分解簡單的有機物產(chǎn)生大量的電子與質(zhì)子，偶氮鍵與電子和 質(zhì)子相結(jié)合裂解產(chǎn)生芳香胺。芳香胺類化合物屬于致癌物質(zhì)，一般在好氧條件下才能被降 解。
[0037] 第一陰極區(qū)域20的填料分為Ξ層，從下到上依次為普通堿石A、活性炭顆粒B和普 通堿石A;其中，第一層普通堿石A填料的厚度為20~25cm，第二層活性炭顆粒B填料的厚度 為5~10cm，第Ξ層普通堿石