技术领域
本发明属于能源与水处理领域，具体涉及一种适用于偶氮染料降解的套筒型微生物染料电池与人工湿地耦合系统。
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20%~30%的染料被释放到环境中(Babu B R,Parande A K,Raghu Set al. Cotton textile Processing：Waste generation and effluent treatment [J].J Cotton Sci,2007,11:141.153.)。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(Estevam V S,Jorge M V. liquid-phase hydrogenation of benzene to cyclohexene catalyzed by Ru/SiO2 in the prensence of water-organic mixtures [J].Catalysis Communication,2003,4:1-96)。
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，containing both soluble and insoluble dyes，in a full scale combined anaerobic /aerobic system［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。
现有耦合系统在处理偶氮染料时，采取以葡萄糖为碳源的共代谢模式。在含有偶氮染料的废水中加入葡萄糖，此混合溶液经由蠕动泵进入耦合系统的阳极区域并发生脱色反应；54.91%偶氮染料的脱色发生在阳极区域，阴极区域仅为1.71%，并且进水中的葡萄糖浓度随着偶氮染料脱色反应的进行而随之降低(Performance of microbial fuel cell coupled constructed wetland system for decolorization of azo dye and bioelectricity generation)。由此可知，进水中葡萄糖主要参与偶氮键的断裂，仅有少部分被产电菌利用。
Muetal发现在阴极投加酸性橙7作为电子接受体，可以实现501 ±6 g/( m3·d1)脱色率(Decolorization of azo dyes in bioelectrochemical systems. Environ. Sci. Technol. 43, 5137–5143.)。
Liu et al发现甲基橙，橙黄Ⅰ在双室燃料电池阴极成功实现了脱色降解(Liu, L., Li, F.B., Feng, C.H., Li, X.Z., 2009. Microbial fuel cell with an azo-dye-feeding cathode. Appl. Microbiol. Biotechnol. 85, 175–183.)。
CW-MFC 系统中阳极和阴极的间距会影响系统的内阻从而改变系统的产电性能。李先宁等人分别将电极间距调节为10、20、30和40cm，实验结果表明产电量随电极间距的增加先上升后下降。当电极间距为20cm时，系统COD去除率、功率密度、库伦效率均达到最高值，根据极化曲线的线性区域估算系统的内阻可知，当电极间距为20cm时系统内阻最小。同样的Yoong-Ling Oon等人研究发现库伦效率随电极间距的增加而减小(微生物燃料电池-人工湿地耦合系统研究进展)。
传统的耦合系统在处理含有偶氮染料废水时，阳极区域为主要的脱色区域。水中的碳源在阳极区域降解产生大量的电子，阳极区域的偶氮染料与其电极均可作为电子受体，实验研究结果表明大多数电子用于偶氮染料的脱色，仅有少部分电子参与产电；当偶氮染料脱色场合发生在阴极区域时(为厌氧环境)，偶氮染料接受来自阳极的电子完成脱色，减少与阳极电极的电子竞争并提高整个系统的产电量的输出。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于偶氮染料降解的套筒型微生物染料电池与人工湿地耦合系统，该系统提高电量的同时进一步提高了偶氮染料的降解效率。
为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种适用于偶氮染料降解的套筒型微生物染料电池与人工湿地耦合系统，包括由下而上的第一进水管道、阳极区域和套筒区域，所述阳极区域处于厌氧环境中，阳极区域内设有阳极电极，所述套筒区域包括外筒区域、高于外筒区域的内筒区域和阴极区域，所述阴极区域位于内筒区域内或外筒区域内，所述阴极区域内设有阴极电极，所述外筒区域内设有第二进水管道，外筒区域上设有和出水区域。
作为改进的是，所述出水区域内至少设有1个出水管。
作为改进的是，所述阳极区域和套筒区域之间设有第一鹅卵石层，第一鹅卵石层的厚度为50mm，所述外筒区域与出水区域之间设有第二鹅卵石层。
进一步改进的是，所述第一鹅卵石层和第二鹅卵石层的鹅卵石粒径均为8-16mm。
作为改进的是，所述阳极区域内填充活性炭包裹阳极电极，所述活性炭的厚度为60mm，粒径为3-5mm，所述阳极电极为碳棒。
作为改进的是，所述内筒区域由下而上依次包括第三鹅卵石层、阴极区域和覆盖层，所述阴极区域内填充活性炭包裹阴极电极，所述活性炭的厚度为210mm，粒径为3-5mm，所述覆盖层上种有挺水植物。
作为改进的是，所述的第三鹅卵石层的厚度为60mm，所述覆盖层的厚度为200mm，覆盖层材料为陶粒，所述陶粒的粒径为5-8mm。
作为改进的是，所述外筒区域内填充有厚度为440mm的陶粒，所述陶粒的粒径为5-8mm。
有益效果
本发明耦合系统通过对阴极和阳极区域分别进水，有效降低偶氮废水与阳极电极间的电子竞争问题，阳极区域进水为葡萄糖溶液，为阴极提供电子与质子，阴极进水为含有偶氮染料的废水；进一步缩短阴阳极室间距，减少系统内组，增加系统电量输出;系统的套筒构型增加阴极区域溶氧浓度，有效降低出水中COD含量与副产物浓度。在偶氮染料废水处理上，优化后系统较传统单室耦合系统在电量输出以及出水水质有了进一步提高。
附图说明
图1为本发明耦合系统的结构示意图，其中，1为第一进水管道，2为阳极区域，3为套筒区域，4为阳极电极，5为外筒区域，6为内筒区域，7为出水区域，8为第二进水管道，9为阴极区域，10为第一鹅卵石层，11为第二鹅卵石层，12为第三鹅卵石层，13为覆盖层，14为阴极电极。
具体实施方式
实施例1
一种适用于偶氮染料降解的套筒型微生物染料电池与人工湿地耦合系统，包括由下而上的第一进水管道1、阳极区域2和套筒区域3，所述阳极区域2处于厌氧环境中，阳极区域2内设有阳极电极4，所述套筒区域3包括外筒区域5、高于外筒区域5的内筒区域6和阴极电极9，所述阴极电极9位于内筒区域6内或外筒区域5内，所述外筒区域5内设有第二进水管道8，外筒区域5上设有和出水区域7。其中，出水区域7内设有4个出水管；阳极区域2和套筒区域3之间设有50mm厚的第一鹅卵石层10，所述外筒区域5与出水区域7之间设有第二鹅卵石层11，且鹅卵石粒径均为8-16mm；所述阳极区域2内填充厚度60mm的活性炭包裹阳极电极4，所述活性炭粒径为3-5mm，所述阳极电极4为碳棒；所述内筒区域6由下而上依次包括厚度60mm的第三鹅卵石层12、阴极区域9和由粒径为5-8mm的陶粒铺成厚度为200mm的覆盖层13，所述阴极区域9内填充厚度为210mm，粒径为3-5mm的活性炭包裹阴极电极14，所述阴极电极14为碳棒，所述覆盖层13上种有挺水植物；外筒区域5内填充有厚度为440mm粒径为5-8mm的陶粒。
实施例2
用实施例1的耦合系统处理被活性艳红X-3B与酸性橙7污染的水，其中，活性艳红X-3B与酸性橙7的浓度均为100-300mg/L，葡萄糖作为共代谢基质，进水中的葡萄糖的浓度为120mg/L。
活性艳红X-3B化学结构：
酸性橙7化学结构：
耦合系统运行：含有葡萄糖的进水由蠕动泵从第一进水管道1泵入耦合系统，含有偶氮染料的废水经由蠕动泵从第二进水管道泵入内筒区域底部，阳极电极4和阴极电极14通过外接导线连接起来，外接线路的外接电阻为1000欧姆。本系统的阳极区域主要功能为为阴极区域提供电子和质子，这两种物质有产电菌消耗葡萄糖所得，电子通过导线、质子通过水流到达阴极，在阴极区域偶氮染料作为电子受体接受来自阳极的电子与质子，在完成自身脱色降解的同时构建出一个完整电流回路并输出一定电量。
从结果中看，用本发明耦合系统处理污水，偶氮染料的脱色率与COD去除率均可达90%以上，耦合系统的的电压输出较传统系统有5%~8%左右的上升，但在电量输出上酸性橙7优于活性艳红X-3B。