生物催化電解工藝強(qiáng)化偶氮染料茜素黃R的脫色效能研究.pdf

1、偶氮染料是染料中最大的化學(xué)分類，由于其廉價(jià)、穩(wěn)定并且比自然染料顏色多樣等特點(diǎn)，偶氮染料被廣泛用于印染、造紙等工業(yè)生產(chǎn)中。但是，偶氮染料具有毒性大、難生物降解、色度高的特點(diǎn)，若直接排放到自然水體，不僅會(huì)造成視覺污染，其顏色還會(huì)阻礙光線和氧氣的進(jìn)入，嚴(yán)重影響水生生物的生存。我國(guó)是印染工業(yè)大國(guó)，印染廢水日益增多，因此偶氮染料廢水的脫色脫毒處理一直是我國(guó)工業(yè)廢水處理的重點(diǎn)目標(biāo)。近年來，生物催化電解系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成一種很有前景的水處理技術(shù)，它利用微

2、生物在陽(yáng)極催化氧化反應(yīng)，驅(qū)動(dòng)陰極電子受體的還原，從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其應(yīng)用已經(jīng)拓展到不同領(lǐng)域，例如生物產(chǎn)氫、有機(jī)物合成、金屬還原、脫鹽、以及多種廢水處理等。
　　圍繞生物電化學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)型改進(jìn)，以偶氮染料為處理目標(biāo)，選取茜素黃 R（AYR）為模式染料，開發(fā)了無隔膜的生物催化電解反應(yīng)器，并將其與厭氧工藝耦合，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了放大規(guī)模的厭氧折流板-生物催化電解一體式工藝（ABR-UBER）。
　　為了解決傳統(tǒng)雙極室生物電化學(xué)

3、系統(tǒng)成本高、難以放大的問題，設(shè)計(jì)了無隔膜的升流式生物催化電解反應(yīng)器（UBER）用來強(qiáng)化偶氮染料的脫色。通過考察偶氮染料 AYR對(duì)陽(yáng)極電極微生物活性的影響，確定了當(dāng) AYR濃度達(dá)到40mg/L時(shí)，陽(yáng)極微生物失活，產(chǎn)電過程停止。因此，為了保護(hù)生物陽(yáng)極的活性， UBER采用陰極在下，陽(yáng)極在上的電極排布方式，陰極對(duì)生物陽(yáng)極起到有效的保護(hù)作用，并采用無隔膜的結(jié)構(gòu)，大大降低了工藝成本。在外加0.5V電壓條件下，UBER對(duì)水中AYR（100mg/L）

4、的脫色率達(dá)到94.8±1.5％，當(dāng)水力停留時(shí)間（HRT）大于6h時(shí)，基于AYR在陰極區(qū)的去除量來計(jì)算的UBER的電子回收率接近100%，表明 AYR的去除是陰極電化學(xué)還原的結(jié)果。當(dāng) HRT小于2.5h時(shí)，AYR的脫色率降低，高濃度 AYR廢水流經(jīng)陽(yáng)極，使陽(yáng)極微生物活性受到抑制，本研究中，UBER能夠承受的最大進(jìn)水 AYR負(fù)荷為680g/m3·d（HRT：2.5h）。
　　以陰極體積為研究對(duì)象，通過固定陽(yáng)極大小，改變陰極體積的方式來

5、考察陰極對(duì)UBER效能的影響。偶氮染料 AYR在UBER中的脫色率、去除速率和電流密度隨著陰極體積的放大而提高，但提高倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陰極的放大倍數(shù)，說明放大的陰極無法被有效利用，但陰極體積較小時(shí)，反應(yīng)器不穩(wěn)定，能夠處理的染料負(fù)荷較低。當(dāng)陰極體積與陽(yáng)極體積比例為2:1時(shí)，UBER的內(nèi)阻最?。姾蓚鬟f阻力為39.5Ω），反應(yīng)器效能最好。利用生物接觸氧化反應(yīng)器（ABOR）處理 UBER的出水，AYR的還原脫色產(chǎn)物對(duì)苯二胺（PPD）和5-氨基水楊

6、酸（5-ASA）在ABOR中被有效去除，當(dāng) UBER-ABOR聯(lián)合工藝的HRT縮短到6h時(shí)，末端出水的脫色率和COD去除率分別達(dá)到93.8±0.7%和93.0±0.5%，色度為80倍，滿足我國(guó)染料廢水排放的II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最后分析了AYR在聯(lián)合工藝中的轉(zhuǎn)化代謝途徑。
　　基于 UBER的設(shè)計(jì)，開發(fā)了厭氧-生物催化電解耦合工藝（AD-UBER），在UBER的下部引入?yún)捬跷勰啻?，利用厭氧生物過程和生物電催化過程的優(yōu)勢(shì)，協(xié)同去除偶氮染料，脫

7、色率達(dá)到90%以上，通過比較UBER、AD和AD-UBER對(duì)AYR的去除效果，分析了AD-UBER耦合系統(tǒng)去除偶氮染料AYR的過程原理，并得到當(dāng)電極體系置于水相中時(shí)，更利于反應(yīng)器效能的發(fā)揮。
　　在AD-UBER的基礎(chǔ)上，將多個(gè)AD-UBER組合放大，開發(fā)了厭氧折流板-生物催化電解一體式工藝（ABR-UBER），將UBER置于厭氧折流板反應(yīng)器的每個(gè)格室中，生物電催化過程的引入，強(qiáng)化了偶氮染料的脫色，外加0.5V電壓時(shí)，出水脫色率由

8、開路的86.9±6.3%提高到95.1±1.5%，同時(shí)，乙酸的積累量減小，脫色率和電流密度隨著UBER外加電壓的提高（0.3、0.5、0.7V）而提高，分別達(dá)到96.4±1.8%和24.1A/m3·TCV（0.7V）?？s短HRT使ABR-UBER的脫色率降低，但各格室對(duì)AYR的去除速率隨著 HRT的縮短而提高，這表明ABR-UBER每個(gè)格室都具有較大的處理負(fù)荷，前面格室的處理能力是反應(yīng)器整體性能的限制因素，后續(xù)格室在HRT較短時(shí)（4h）