染料废水是我国工业废水的重要组成,呈现出组分复杂,水质波动性强,生物降解性差,毒性高,色度深等特点,未经适当处理的染料废水排放入水环境会造成严重的污染,表现出令人不愉快的颜色,影响水体透光和富氧。染料分子具有较强的生物毒性,是潜在的三致物质。因此,开发和优化针对染料废水的深度处理技术是水污染治理的重点。由于染料废水排放量大,一般采用生物技术进行处理,现有的工艺设施处理效能低,难以满足日益严格的排放标准。生物电化学系统是近年来发展起来的污染物高效去除技术,由于其采用微生物作为催化剂,绿色环保,由电极构成外电路,电子传递和使用效率高,已经被验证可以实现污染物的高效转化。但是关于生物电化学系统放大应用和处理实际废水的案例较少,需要研究者持续的努力,推动该技术的实用化。本文围绕生物电化学系统面向应用的几个关键问题开展研究。论证生活污水中有机物作为廉价易获得的电子供体驱动生物电化学系统的可行性和优越性;研发生物电化学和传统厌氧复合反应器,考察不同电极材料和电极位置对反应器效能的影响,解析不同构型反应器的水力流动状态;构建厌氧-生物电化学复合反应器+好氧生物膜反应器+反硝化滤池+化学除磷/深度处理工艺系统,处理混合染料废水,优化运行参数和化学药剂使用量,实现出水达标排放和再生利用。为了降低生物电化学系统的运行成本,提出以生活污水作为电子供体实现偶氮染料还原转化。与乙酸钠和葡萄糖作为电子供体的对照组相比,生活污水作为电子供体时,偶氮染料酸性橙7(AO7)的脱色效率>99%,最高去除速率达到795.05±60.78 g/(m3?d)。生活污水具有最高的电子利用效率,产甲烷和微生物生长过程中损失掉的电子较少。当生活污水稀释到约80 mg-COD/L(折合还原剂供给量为4.40 mol COD/mol AO7)时,脱色效率依然能够维持在94.91±1.55%。此外,证实了生活污水具有天然的导电性和缓冲能力,即使完全不添加磷酸盐缓冲体系时,仍保持高达93.52±0.74%的脱色效率。微生物群落结构分析结果显示,生活污水作为电子供体时提高了电极生物膜的物种丰度和多样性,反应器中的四个电极微生物群落结构相似,没有显著受到电极位置和极性的影响。富集到的优势菌属是Desulfovibrio,一种具有双向电子传递功能的菌属,同时兼具偶氮染料还原功能。为了克服单独使用生物电化学系统处理染料废水的不确定性,加快该技术的实用化过程,提出将生物电化学系统嵌入传统升流式厌氧工艺形成复合反应器,并优化运行参数。复合反应器比单纯的升流式厌氧污泥反应器具有更高的偶氮染料脱色效率。相比于碳纤维刷,石墨颗粒做生物电化学系统的电极时(进水负荷800g/(m3?d)),染料脱色效率提升6%;电极安置在厌氧污泥上方是较好的方式,染料脱色效率提升8%。停留时间分布实验(RTD)揭示了不同构型反应器的水力特征,说明石墨颗粒电极安装在厌氧污泥上方的反应器与多釜串联模型拟合较好,其特征值N=3.15。采用ANSYS Fluent软件可视化表征反应器内流体流动,将石墨颗粒电极简化成多孔介质模型,结果显示引入电极后显著提升反应器内的整体压力,并且对流体的流动产生明显的扰动。石墨颗粒电极使得流体的流速在电极区域呈现出更均匀的分布,并且存在明显的阻滞效果。目前国内纺织印染产业呈现出集群的特点,针对这些工业园区排放出来的低浓度难降解混合型染料废水,搭建厌氧-生物电化学复合反应器+好氧生物膜反应器+反硝化滤池+化学除磷/深度处理工艺系统。模拟废水由八种染料和生活污水混合而成,进水染料负荷800 g/(m3?d),回流比为100%,反硝化脱氮外加电子供体浓度为理论值的1.35倍,化学除磷药剂(5%聚合氯化铝溶液)用量1 m L/L时,出水色度,COD,总氮,氨氮和总磷分别为48±4倍,75±18 mg/L,12.91±0.31 mg/L和3.02±1.80 mg/L和0.37±0.05 mg/L,相应的去除率为91.96±0.31%,85.58±2.60%,83.97±1.88%,95.18±0.51%和94.20±0.80%,能够满足排放标准。在化学除磷单元中添加次氯酸钠进行深度处理,可以实现出水水质的进一步提升,满足回用标准。采用Design-Expert软件优化得出最经济的组合为次氯酸钠投加量1.28 m L/L,5%聚合氯化铝2 m L/L。本研究取得的结果显示将生物电化学系统嵌入传统厌氧工艺,并构建的工艺系统可以实现混合染料废水的深度处理,为推动生物电化学技术走向应用提供了一种思路,也为染料废水的深度处理和安全回用提供借鉴。