偶氮染料是分子结构中含有一个或多个偶氮键(-N=N-)的芳香类化合物,是目前工业中应用最多的合成染料,具有结构稳定、抗酸碱、抗微生物等特点,被大量使用,尤其是印染等产业。偶氮染料表现出极高的色度,在自然界中极难降解及代谢产物高毒性和致癌性的特点,含有偶氮染料的废水对生态系统和人类健康造成严重威胁。中国印染产业规模巨大,产生的工业废水中含有大量的偶氮染料,我国现在对于相关废水的处理主要针对废水的脱色脱毒来进行处理。传统的物理和化学处理方法,成本高且容易产生有毒有害的中间产物。厌氧生物处理可以对偶氮染料进行有效脱色,然而厌氧生物处理所需时间过长,导致脱色效率较低,且废水中缺乏可直接利用的电子供体,成为生物处理偶氮染料类废水的制约性因素。生物电化学系统(Bioelectrochemical Systems,BESs),以微生物为催化剂在电极进行氧化/还原反应,结合了生物处理和电化学方法的优点,已成为近年来发展迅速、很有前景的环境污染处理技术。本研究选取茜素黄R(Alizarin Yellow R,茜素黄R),一种最普遍应用的偶氮染料为模式污染物,针对传统的双极室生物电化学系统成本高、且难以工程放大,开发设计了一种廊道推流式连续流生物电化学反应器(Plug Flow Baffled-Bioelectrochmical Reactor,PFB-BER),围绕高脱色效能和低电能耗,优化了反应器的设计运行参数;结合阴极生物膜微生物群落结构组成,解析了连续流情况下PFB-BER的长期脱色效能和与好氧曝气(Aeration Reactor)系统联合(PFB-BER-AR)后的长期矿化效能。以反应器构型改进为目的,建立了一种廊道推流式生物电化学反应器,在连续流条件下可以实现对茜素黄R的快速还原脱色,脱色效率较开路情况下提高了1.27倍(水力停留时间为24h时),对苯二胺和5-氨基水杨酸生成率分别为95%和50%。循环伏安曲线和交流阻抗分析表明,系统外加电压控制在0.5V,使阴极电位控制在-0.9 V左右,可以保证茜素黄R的还原反应的发生,充分还原降解。反应器的总内阻为121.1Ω,远小于纯电化学反应器的内阻。随着反应器水力停留时间的缩短,反应器的还原脱色效率降低。当水力停留时间从8 h缩短到4 h时,还原脱色效率从69.9%降低到44.9%。增加一组电极组可以明显提高脱色效率,4 h的脱色效率由44.8%升高到83.1%。对比外加电压能耗,发现在相对一致的还原脱色效率下,水力停留时间为4 h的两组电极反应装置,要比水力停留时间为12 h的一组电极反应装置能耗低。适当增加电极组,可有效提高脱色效率并避免高的电压能耗。在生物电化学反应器阴极系统中,茜素黄R可以被快速还原脱色(乙酸钠:0.1818±0.0139/h;葡萄糖:0.4620±0.0567/h),其还原脱色效率较非生物阴极(0.0.1197±0.0004/h)分别提高了1.5倍(乙酸钠)和3.9倍(葡萄糖)。其出水色度符合国家二级出水标准色度要求(40)。不同参数条件下,茜素黄R的还原脱色速率随初始浓度的增加而降低,随外加电压的升高而升高;以葡萄糖为底物,茜素黄R的去除速率及产物的生成速率是以乙酸钠为底物条件的3倍。基于响应曲面模型拟合,得出茜素黄R初始浓度为130-135 mg/L和155 mg/L和外加电压为0.66 V和0.58 V(分别以乙酸钠和葡萄糖为基质)时,生物阴极的脱色效率最高,且单位能耗最低。生物阴极生物膜群落结构分析表明,驯化后细菌群落结构发生很大变化,以葡萄糖为底物时,Citrobacter、Enterococcus和Alkaliflexus等菌属为主导菌属,以乙酸钠为底物时,Acintobacter和Achromobacter等为主导菌属。底物不同导致群落结构差异和不同的还原脱色效率,表明以葡萄糖作为电子供体时能驯化出有利于茜素黄R还原脱色的菌群,提高反应器的性能。廊道推流式生物电化学反应器在长期运行的情况下,可以持续稳定地脱色茜素黄R。将此反应器与好氧曝气装置联合,其还原产物(对苯二胺和5-氨基水杨酸)可进一步被氧化,实现茜素黄R的长期持续矿化。微生物群落结构分析表明,长期运行情况下,电极类型和电极位置明显影响了电极生物膜上菌群的丰度和菌属类型。阳极生物膜以Ornatilinea菌属为主导,阴极生物膜以Acinetobacter,Pseudomonas和Geobacter为主导,Geobacter菌属在第二组电极组上的含量远高于第一组电极组。推断生物膜结构的变化受水中污染物浓度影响较大。本研究证实生物电化学系统可作为还原脱色偶氮染料的有效手段,开发设计的廊道推流式反应器可作为一种新型工艺处理模式,为染料类废水的脱色和彻底脱毒及系统工艺放大提供一种新的技术手段。