生物催化电解工艺强化偶氮染料茜素黄R的脱色效能研究

发布时间：2020-11-06 03:41

　　 偶氮染料是染料中最大的化学分类，由于其廉价、稳定并且比自然染料颜色多样等特点，偶氮染料被广泛用于印染、造纸等工业生产中。但是，偶氮染料具有毒性大、难生物降解、色度高的特点，若直接排放到自然水体，不仅会造成视觉污染，其颜色还会阻碍光线和氧气的进入，严重影响水生生物的生存。我国是印染工业大国，印染废水日益增多，因此偶氮染料废水的脱色脱毒处理一直是我国工业废水处理的重点目标。近年来，生物催化电解系统已经发展成一种很有前景的水处理技术，它利用微生物在阳极催化氧化反应，驱动阴极电子受体的还原，从而将化学能转化为电能，其应用已经拓展到不同领域，例如生物产氢、有机物合成、金属还原、脱盐、以及多种废水处理等。 围绕生物电化学系统的构型改进，以偶氮染料为处理目标，选取茜素黄R（AYR）为模式染料，开发了无隔膜的生物催化电解反应器，并将其与厌氧工艺耦合，在此基础上，构建了放大规模的厌氧折流板-生物催化电解一体式工艺（ABR-UBER）。 为了解决传统双极室生物电化学系统成本高、难以放大的问题，设计了无隔膜的升流式生物催化电解反应器（UBER）用来强化偶氮染料的脱色。通过考察偶氮染料AYR对阳极电极微生物活性的影响，确定了当AYR浓度达到40mg/L时，阳极微生物失活，产电过程停止。因此，为了保护生物阳极的活性，UBER采用阴极在下，阳极在上的电极排布方式，阴极对生物阳极起到有效的保护作用，并采用无隔膜的结构，大大降低了工艺成本。在外加0.5V电压条件下，UBER对水中AYR（100mg/L）的脱色率达到94.8±1.5%，当水力停留时间（HRT）大于6h时，基于AYR在阴极区的去除量来计算的UBER的电子回收率接近100%，表明AYR的去除是阴极电化学还原的结果。当HRT小于2.5h时，AYR的脱色率降低，高浓度AYR废水流经阳极，使阳极微生物活性受到抑制，本研究中，UBER能够承受的最大进水AYR负荷为680g/m3·d（HRT：2.5h）。 以阴极体积为研究对象，通过固定阳极大小，改变阴极体积的方式来考察阴极对UBER效能的影响。偶氮染料AYR在UBER中的脱色率、去除速率和电流密度随着阴极体积的放大而提高，但提高倍数远远小于阴极的放大倍数，说明放大的阴极无法被有效利用，但阴极体积较小时，反应器不稳定，能够处理的染料负荷较低。当阴极体积与阳极体积比例为2:1时，UBER的内阻最小（电荷传递阻力为39.5Ω），反应器效能最好。利用生物接触氧化反应器（ABOR）处理UBER的出水，AYR的还原脱色产物对苯二胺（PPD）和5-氨基水杨酸（5-ASA）在ABOR中被有效去除，当UBER-ABOR联合工艺的HRT缩短到6h时，末端出水的脱色率和COD去除率分别达到93.8±0.7%和93.0±0.5%，色度为80倍，满足我国染料废水排放的II级标准，最后分析了AYR在联合工艺中的转化代谢途径。 基于UBER的设计，开发了厌氧-生物催化电解耦合工艺（AD-UBER），在UBER的下部引入厌氧污泥床，利用厌氧生物过程和生物电催化过程的优势，协同去除偶氮染料，脱色率达到90%以上，通过比较UBER、AD和AD-UBER对AYR的去除效果，分析了AD-UBER耦合系统去除偶氮染料AYR的过程原理，并得到当电极体系置于水相中时，更利于反应器效能的发挥。 在AD-UBER的基础上，将多个AD-UBER组合放大，开发了厌氧折流板-生物催化电解一体式工艺（ABR-UBER），将UBER置于厌氧折流板反应器的每个格室中，生物电催化过程的引入，强化了偶氮染料的脱色，外加0.5V电压时，出水脱色率由开路的86.9±6.3%提高到95.1±1.5%，同时，乙酸的积累量减小，脱色率和电流密度随着UBER外加电压的提高（0.3、0.5、0.7V）而提高，分别达到96.4±1.8%和24.1A/m3·TCV（0.7V）。缩短HRT使ABR-UBER的脱色率降低，但各格室对AYR的去除速率随着HRT的缩短而提高，这表明ABR-UBER每个格室都具有较大的处理负荷，前面格室的处理能力是反应器整体性能的限制因素，后续格室在HRT较短时（4h）仍表现出较高的处理效能。ABR-UBER这种放大的无隔膜设计为生物电化学系统高效经济地去除偶氮染料及工艺放大应用提出了新的概念。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X788;X791
【部分图文】：

图 1-1 微生物对偶氮染料的代谢机制Fig. 1-1 The possible degradation pathway of azo dye by microorganisms偶氮染料废水的厌氧生物处理方法氮染料的厌氧降解可以追溯到二十世纪七十年代，Walker 和 Ra实现了偶氮染料的脱色[ 37]，随后其他研究者进一步证实了肠道厌- 9 -

第 1 章 绪 论置于曝气环境中，偶氮染料首先发生偶氮还原反应，生成芳香胺类中物：4-氨基苯酚和苯胺，这些产物被颗粒污泥外部特定的好氧微生物解，如果接种以芳香胺为碳源富集的好氧污泥，5-氨基水杨酸和对氨也会被降解矿化，这种耦合在一起的厌氧-好氧工艺类型如表 1-7 所示

图 2-1 双极室生物催化电解反应器构型示意图Fig. 2-1 Schematic diagram of dual-chamber biocatalyzed electrolysis reactor双极室生物催化电解应器采用厚度为 5mm 的聚氯乙烯材料（PVC，厦门亿伟模型厂，中国）制成，由体积相等的阳极室和阴极室组成，中间由阳离子交换膜（有效面积约为 7cm2，Ultrex CMI-7000，美国）隔开，外部呈长方体形状，棱长分别为 L12cm×W6cm×H6cm，内部成圆柱形，直径 Φ 为 5cm，高 H10cm，阳极室和阴极室的总容积均为 100mL，阳极材料为碳纤维刷（Φ4.5cm×L4.5cm），碳纤维刷由直径为 1mm 的钛丝（宝鸡力兴钛业有限公司，中国）及碳纤维强力拧合制成。阴极采用不锈钢网作为电极，钛丝为电流收集器，与外部电路相连，阳极室和阴极室填充电极后的有效容积分别为 60mL 和 90mL，外部电路负载电阻为 200Ω，阳极置有饱和甘汞参比电极（SCE +245mV vs 标准氢电极SHE，model-217，上海精密科学仪器有限公司），用来监测阳极的电位变化，本章中所有的电位数据均为相对于饱和甘汞参比电极的电位。反应器与数据记录仪（Keithley2700, Keithley Co. Ltd., 美国）连接，实时记录反应器的电位及电压变化，连接电路如图 2-2 所示，反应器的电流由反应器两端的电压与负载电阻根据欧姆定律计算得出。
【参考文献】

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本文编号：2872603