利用电场减缓厌氧膜生物反应器中用于生活污水处理的膜污染

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Mitigation of Membrane Fouling by Electric Field in Anaerobic Membrane Bioreactor for domestic Sewage Treatment

本研究通过对比电场辅助厌氧膜生物反应器（AnEMBR）与传统厌氧膜生物反应器（AnMBR）处理实际低浓度生活污水，发现电场显著提升COD去除率5%，减少污泥产量29.1%，延长膜寿命30-40%，并改变SMP/EPS组成及微生物群落演替，为AnEMBR技术优化提供依据。

　　

彭晓 | 赵红 | 李亚军 | 江金元 | 谭伟 | 宋浩阳 | 史东妮 | 何旭文 | 王健

中国环境科学研究院环境标准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

摘要

1. 厌氧电膜生物反应器（AnEMBRs）作为一种缓解厌氧膜生物反应器（AnMBRs）中膜污染的策略，最近受到了关注。然而，大多数现有研究都是在合成或受控的废水条件下进行的，因此它们在真实生活污水中的表现尚未得到充分了解。在本研究中，一个AnEMBR和一个传统的AnMBR使用低浓度的生活污水并行运行了100天。两者之间唯一的操作差异是是否施加电场，从而可以直接观察电场对反应器性能和膜污染的影响。装有电场的反应器处理效率有所提高，平均COD去除率比对照组提高了5个百分点。污泥产量也降低了约29.1%。膜的行为变化更为明显：膜表面积累的污染物总量减少了14.08%，膜的使用寿命延长了30-40%，且不可逆污染的发生时间明显推迟。化学和微生物分析的结果表明，这些改善不能仅用污染层生长减缓来解释。电场还改变了可溶性微生物产物（SMP）和胞外聚合物物质（EPS）的组成和相对丰度，同时影响了反应器内的微生物群落演替。总体而言，这些观察结果为电场辅助在真实生活污水条件下的AnMBR运行提供了更清晰的认识，并为开发更有效的膜污染控制策略提供了有益的见解。

引言

1. 由于人口快速增长、城市化进程加快以及经济的持续发展，水污染问题日益严重，导致水资源短缺危机加剧，这威胁到了人们的日常生活和工业生产[1]。在这种背景下，将生活污水进行处理和再利用作为水、营养物质和能源的替代来源具有重要的战略意义[2]。目前，生活污水的处理主要依赖于好氧工艺[3]。然而，这些工艺能耗高且会产生大量污泥，严重阻碍了生活污水的资源回收[4]。因此，迫切需要开发高效、节能且环保的创新技术，以实现生活污水的最佳利用。
1. 厌氧膜生物反应器（AnMBR）结合了厌氧生物处理和膜分离技术，成为废水处理的一种可行方案。它具有出水质量高、生物质保留完全、产泥量低、温室气体排放减少以及对水力和有机冲击负荷耐受性强的优点[5]。此外，它解决了传统厌氧生物工艺的局限性，特别是污泥损失和占地面积大的问题[6]。因此，AnMBR技术受到了越来越多的研究关注，现在被视为高效处理和再利用生活污水的有希望的选择[7]。
1. 然而，AnMBRs在生活污水处理中的应用仍面临一些实际障碍。其中，膜污染是一个关键问题，这是由于可溶性微生物产物（SMP）、胞外聚合物物质（EPS）以及其他有机污染物（如腐殖质和富里酸类物质）在膜表面和孔隙中的长期积累所致[8]。这种污染不仅缩短了膜的使用寿命，还增加了膜清洗的需求，从而提高了运营和维护成本[9]。因此，膜污染现在被认为是AnMBRs大规模应用的主要限制因素之一[10][11]。目前常用的膜污染控制方法包括化学反冲洗、气体喷射、膜改性、超声波清洗和化学清洗[12]。然而，这些方法通常成本较高且效果有限，在某些情况下甚至可能加速膜的老化[13]。因此，迫切需要开发更高效、可持续的膜污染控制方法，以实现更有效的污染控制并降低成本。
1. 最近，外部电场（EEFs）在AnMBRs中的应用成为一种有前景的膜污染控制方法，因为电刺激具有可访问性、环境兼容性和可持续性等优点[14][15]。作为代表性的系统，厌氧电辅助膜生物反应器（AnEMBR）在废水处理中受到了越来越多的关注。该系统不仅利用阴极膜模块与带负电的污染物（如EPS和SMP）之间的静电排斥作用来缓解膜污染[16]，还通过电化学效应改变污泥性质、捕获或减少EPS，并转化或去除类似腐殖质的污染物和其他难降解有机物[17][18]。此外，集成在AnEMBR中的电化学系统可以增强微生物代谢，提高生物处理效率，从而在污染物去除、污染控制、生物能源生产和增值产品回收方面带来好处[19][20][21]。Yang等人[22]制备了碳纳米管中空纤维膜（CNT-HFMs），并将其应用于AnEMBR中处理模拟废水。经过三次水力清洗后，通电膜模块的跨膜压力（TMP）恢复到了35 kPa，而对照组模块的TMP仅恢复到了50 kPa和60 kPa。这表明电场的应用有效缓解了不可逆膜污染。Wang等人[23]将AnMBR与表面导电的中空纤维膜结合，开发了表面电场AnMBR（S-AnEMBR），与传统AnMBR相比，S-AnEMBR具有更长的运行时间和更好的抗污染性能。Fan等人[24]开发了一种采用双阳极配置和钛膜阴极的新型电AnMBR。通过牺牲铁阳极来调节和增强低电压下的电热效应，电AnMBR减轻了膜污染，并提高了沼气产量和纯度。
1. 然而，大多数现有研究都是使用合成废水或模型底物进行的，这些底物的组成相对稳定且特性明确。相比之下，实际生活污水要复杂得多且随时间变化较大。因此，目前尚不清楚先前研究中观察到的性能提升和污染控制效果是否能在真实生活污水条件下保持[25]。这一差距限制了AnMBR技术的实际评估和更广泛的应用。
1. 基于此背景，本研究使用实际低浓度的生活污水作为进水，在其他操作条件相同的情况下，对AnEMBR（实验组，EG）和传统AnMBR（对照组，CG）进行了100天的对比实验，电场是唯一的操作变量。通过结合反应器性能评估、TMP变化分析、膜表面污染物分析、膜使用寿命分析和微生物群落演替分析，本研究旨在提供更实用的电场辅助AnMBR运行评估，并更清楚地了解真实废水条件下的膜污染控制情况。

实验装置

图1展示了本研究中使用的AnEMBR示意图，图S1提供了实验装置的照片。AnEMBR系统包括一个AnMBR单元和一组电极。反应室尺寸为130mm × 210mm × 420mm，有效工作体积为6.8L。阳极和阴极电极以及膜模块均安装在反应室内。膜模块采用陶瓷平板膜（Huamo，中国制造）。

电场对COD去除性能的影响

在厌氧电膜生物反应器中，COD去除性能被广泛用作有机物利用的指标，是从工程角度评估系统处理能力的关键参数[39][40]。图2(a)显示了两个反应组在三个运行阶段中进水及出水COD浓度的变化，图2(b)比较了EG和CG在同一阶段内的COD去除率。第一阶段对应于厌氧阶段

结论

本研究开发了一种AnEMBR，并在相同的操作条件下，使用低浓度生活污水对其性能进行了评估。两个系统运行了100天，电场的存在是唯一的操作差异。在整个运行过程中，电场辅助的反应器表现出更好的处理性能和更慢的膜污染发展速度。平均COD去除率提高了5%

作者贡献声明

赵红：撰写 – 审稿与编辑。彭晓：撰写 – 初稿撰写。江金元：撰写 – 审稿与编辑。李亚军：撰写 – 审稿与编辑。宋浩阳：撰写 – 审稿与编辑。谭伟：撰写 – 审稿与编辑。何旭文：撰写 – 审稿与编辑。史东妮：撰写 – 审稿与编辑。王健：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了废水低碳处理与资源回收工程技术中心（项目编号2025YSKY-09）的资助。