128091字博士毕业论文生物催化电解法提高偶氮染料茜素黄R脱色效率的研究

论文类型：博士毕业论文

论文字数：128091字

论点：反应器,电解,催化

论文概述：

本文是博士生论文，本研究采用生物催化电解水处理工艺，针对水中偶氮染料茜素黄 R（AYR）的处理，设计了无隔膜升流式生物催化电解反应器（UBER），以及厌氧折流板-生物催化电解一体式工

论文正文：

第一章许仑

在合成技术发展之前，印染技术使用天然染料，如直接从植物中提取的染料，如藏红花、缟玛瑙、胭脂虫、苏木，以及从动物中提取的染料。例如，地中海软体动物的提取物可以制成棕色和黄色染料。大多数天然染料具有腐蚀性，需要固色剂。随着合成技术的发展，合成染料得到了广泛的应用，其中偶氮染料是最古老的染料类型，在
结论
的每一个印染过程中都发挥着重要的作用。偶氮染料是目前工业上应用最广泛的合成染料。它们种类繁多，结构复杂，化学性质稳定。它们含有许多偶氮键(-n = n-)(发色基团)[5，6)，电子系统离开它们的原始位置，共轭双键和发色基团。发色基团通常是-NH3、-COOH、-SO3H、-OH等。其中，最常见的是带有-SO3H的磺酸偶氮染料。例如:酸性橙7(AO7)、酸性红14、刚果红和大多数酸性染料。偶氮染料对350纳米到700纳米之间的可见光有很强的吸收，主要表现为黄色、橙色和红色。偶氮染料的降解产物大多是芳香胺，有些芳香胺亲水性强，更容易通过细胞膜。因此，这些中间代谢物对人体的毒性可能比偶氮染料本身更大，[17]。研究表明，酸橙7(AO7)的还原产物1-氨基-2-萘酚将刺激膀胱肿瘤的产生，[18]。偶氮染料废水属于高浓度有机污染物废水。由于其颜色高、毒性大、生物降解困难，其处理一直是环境和纺织印染领域的难题。
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第2章实验材料和方法

2.1实验设备
ABR-UBER反应器接种污泥的建设和启动取自绍兴污水处理厂ABR(5t)中试印染废水处理厂。接种污泥量占反应器总体积的四分之一，反应器中的VSS/TSS达到70%。ABR-BES接种后，进水染料AYR浓度控制在50毫克/升，反应器以低浓度染料驯化方式启动。当出水染料脱色率高于80%时，进水染料AYR浓度逐渐增加到200mg/L，驯化时间持续90天，从而保证ABR-UBER性能稳定。生物催化电解系统的钛篮阳极在双极室生物催化电解系统中预先驯化。接种污泥取自哈尔滨太平污水处理厂，以葡萄糖为碳源(1000毫克/升)，外加100ω电阻。铁氰化钾被用作阴极溶液中的电子受体。运行30天后，当阳极电位相对于银/氯化银稳定在-450毫伏时，阳极生物膜的富集被认为完成。放置在ABR中的生物电催化系统的阴极没有预先适应，而是以非生物阴极的形式放置在ABR中。ABR-UBER稳定运行期间，进水染料AYR浓度为200mg/L，葡萄糖浓度为1000mg/L，电路负载5ω电阻，外加0.5V电压。实时监测每组电极的电位和电流变化，数据采集频率为10分钟。

2.2实验设备和试剂
沃尔夫矿物元素液体:次氮三乙酸:1.5g；硫酸镁7H2O:3.0g；硫酸锰H2O:0.5克；氯化钠:1.0g硫酸亚铁7H2O:0.1g；氯化钴6H2O:0.1g；氯化钙:0.1g硫酸锌·7H2O:0.1g；硫酸铜·5H2O:0.01克；AlK(SO4)2 12H2O:0.01克；h3bo 3:0.01克；na2mo 4·2H2O:0.01克；去离子水:1.0升。狼维生素溶液:维生素h:2.0毫克；叶酸:2.0毫克；盐酸吡哆醇:10.0毫克；；维生素B1:5.0毫克；核黄素:5.0毫克；；盐酸:5.0毫克；；右旋泛酸钙:5.0毫克；；维生素B12:0.1毫克；；氨基苯甲酸:5.0毫克；；硫辛酸:5.0毫克；；去离子水:1.0L。每升阳极溶液含有:无水乙酸钠:1g；氯化铵:0.31克；KCl:0.13克；50毫米PBS (nah2po42h2o: 2.77g，na2hpo412h2o: 11.55g)，wolf维生素溶液1mL，Wolf矿物元素溶液1mL。

第三章上流式生物催化电解反应器对茜素黄R的脱色效率及系统优化........47
3.1导言……47
3.2偶氮染料茜素黄对电极微生物活性的影响...........................................48
第四章厌氧-生物催化电解耦合系统的开发及茜素黄的脱色效率……82
4.1导言................82
4.2反应器的启动和运行................................82
4.3茜素黄R不同工艺脱色效率的比较...........................................84
4.4不同工艺对有机底物的利用和挥发性酸的产生.........................................88
第五章厌氧折流板的构建——生物催化电解法及茜素黄的脱色效率...100
5.1导言……100
5.2厌氧折流板-生物催化电解耦合工艺(ABR-UBER)的运行……101
5.3 ABR-UBER去除水中茜素黄................102

第5章厌氧折流板的构建——生物催化电解工艺及茜素黄R

5.1简介
厌氧折流板水解酸化工艺在处理难降解废水方面具有相当大的优势。水解酸化工艺主要利用水解产酸发酵微生物将水中的固体、高分子和难降解有机物分解成易于生物降解的小分子有机物。水解酸化后，废水的可生化性大大提高，进入后续工艺单元后可获得更好的处理效果。近年来，国内外大量废水处理工程实践证明产酸发酵在难降解废水处理中确实发挥了重要作用:(1)水解酸化阶段是难降解废水厌氧生物处理的限速步骤，是提高工艺系统处理效率的关键；(2)水解酸化是提高废水可生化性的关键。它能去除一些有毒物质或抑制物质，并将一些难降解有机物的结构改变为易降解物质。(3)水解酸化工艺可作为难降解废水的“预处理”环节。通过这种“生物预处理”，可以提高难降解废水的性能或生物降解性，并且可以大大提高难降解废水的整体处理效率。

5.2厌氧折流板-生物催化电解耦合工艺(ABR-UBER)
厌氧折流板-生物催化电解装置如图2-6所示，由厌氧折流板反应器和生物催化电解系统的电极装置组成。反应器设置为四个隔室，分别命名为#1、#2、#3和#4隔室。该工艺的操作分为七个阶段(表5-1)。在第一阶段，反应器以ABR的形式单独运行，以研究水力停留时间为8小时时ABR对染料AYR的去除效果。第二阶段，将生物催化电解系统UBER引入ABR，形成ABR-UBER耦合系统。一对生物阳极和非生物阴极放置在每个隔室的厌氧污泥床的上部。采用顶部阳极、底部阴极垂直排列，外部连接5ω电阻，施加0.5V电压。心率变异性仍然是8小时。从第三阶段到第六阶段，ABR-UBER的运行条件逐渐发生变化，研究了关键影响参数:外加电压和水力停留时间对耦合过程运行的影响，其中在第三阶段和第四阶段外加电压分别降低到0.3V和增加到0.7V，而其他运行条件不变，比较了不同外加电压下的反应器效率。在第五阶段和第六阶段，在保持外加电压为0.7V的条件下，水力停留时间分别从8h缩短到6h和4h，并优化了耦合工艺操作参数水力停留时间。在第七阶段，取出ABR-UBER中的电极并以ABR的形式操作，以研究此时反应器效率的变化。
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[4]

本研究采用生物催化电解工艺。针对水中偶氮染料茜素黄R(AYR)的处理，围绕新型生物催化电解系统的开发，设计了无隔膜上流式生物催化电解反应器(UBER)、厌氧-上流式生物催化电解耦合反应器(AD-UBER)和厌氧折流板-生物催化电解一体化工艺(ABR-UBER)。通过电极的优化布置，实现了无隔膜生物催化电解系统高效去除偶氮染料，扩大了生物电化学系统在有毒难降解废水处理中的应用范围空；本研究设计的反应器结构和工艺组合规模逐步扩大，搭建了小型中试平台，使生物催化电解系统在规模化和实际应用的道路上又迈进了一步。同时，通过筛选各反应器的设计和运行参数，优化了这些关键参数，包括UBER阴极的尺寸、电极在AD-UBER中的放置位置、ABR-UBER中的外加电压和水力停留时间。通过热力学分析、化学计量分析、电化学分析和仪器分析对偶氮染料AYR的代谢转化进行了定性和定量分析，得出了AYR在不同过程中可能的代谢途径。
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参考文献(省略)