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】
[0001] 本发明属于能源与水处理技术领域，具体设及一种用于偶氮染料降解的人工湿地 与微生物燃料电池禪合系统及其降解方法。
【背景技术】
[0002] 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W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 W长时间的滞留在环境中，因此存在长期的危害。
[0003] 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W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 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] 人工湿地(CW)由于自身的构造、基质W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系统的运一特性使得其与微生物燃料电池禪合成为现实。 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。禪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禪合系统(CW-MFC)也被运用到偶氮染料的处理上。
[0005] 但是目前传统CW-MFC系统在偶氮染料脱色过程中，由于禪合装置阴极区域的溶解 氧浓度W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】
[0006] 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禪合系统及其降解方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用了 W下技术方案：
[000引一种用于偶氮染料降解的CW-MFC禪合系统，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。
[0009] 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W跌水的方式进入第二阴极区域。
[0010] 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。
[0011] 进一步的，所述透水挡板的下方埋设有一层碟卵石，所述碟卵石的粒径为15~ 25mm 〇
[0012] 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碱石、活性炭颗 粒。
[OOU]进一步的，阳极区域中，普通碱石填料的宽度范围为6~8cm，活性炭颗粒填料的宽 度范围为22~24畑1。
[0014] 进一步的，所述第一阴极区域的填料分为Ξ层，从下到上依次为普通碱石、活性炭 颗粒和普通碱石;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碱 石。
[0015] 进一步的，第一阴极区域中，第一层普通碱石填料的厚度为20~25cm，第二层活性 炭颗粒填料的厚度为5~10cm，第Ξ层普通碱石填料的厚度为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。
[0016] 进一步的，所述普通碱石的粒径为4~8mm，活性炭颗粒的粒径为3~5mm。
[0017] -种用于偶氮染料降解的CW-MFC禪合系统的降解方法，包括如下步骤：
[0018] S1、含有偶氮染料的污水通过蠕动累累入系统的进水口，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；
[0019] 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；
[0020] S3、第一阴极区域的水流W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。
[0021] 本发明的有益效果在于：
[0022] 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，禪合后的系统有 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W跌水的方式进入第二个阴极 室，可W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。
[0023] 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W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。
[0024] 2)、本发明CW系统内部大多呈现出厌氧的状态，保证了禪合系统中阳极区域的严 格厌氧环境，在禪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】
[0025] 图1为本发明禪合系统的结构简示图。
[0026] 图中标注符号的含义如下：
[0027] 1-阳极区域10-进水口 2-阴极区域20-第一阴极区域
[0028] 21-第二阴极区域22-出水口 3-透水挡板4-不透水挡板 [00巧]5-挺水植物A-普通碱石B-活性炭颗粒C-碟卵石
【具体实施方式】
[0030]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。W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W此来限制本发明的保护范围。 [0031 ] -种用于偶氮染料降解的CW-MFC禪合系统
[0032] 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;在系统的阴极区域巧巾有根系发达、泌氧性能良好的挺水 植物5。
[0033] 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W跌水的方式进入第二阴极区域21。
[0034] 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-分为二。
[0035] 为了防止透水挡板3处发生堵塞，透水挡板3的下方埋设有一层碟卵石C，碟卵石C 的粒径为15~25mm。
[0036] 阳极区域1的填料从系统的进水口 10延伸依次为普通碱石A、活性炭颗粒B，活性炭 颗粒B具有强大的吸附性能W及便于微生物的附着的优点。阳极区域1中，普通碱石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。
[0037] 第一阴极区域20的填料分为Ξ层，从下到上依次为普通碱石A、活性炭颗粒B和普 通碱石A;其中，第一层普通碱石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Ξ层普通碱石