一种用于偶氮染料降解的CW-MFC耦合系统及其降解方法

摘要

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。

说明书

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(FrijtersCTMJ，VosRH， SchefferG，etal.Decol-orizinganddetoxifyingtextilewastewater，containing bothsolubleandinsolubledyes，inafullscalecombinedanaerobic/aerobic system[J].WaterResearch，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120 mg/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。