原位利用MFC产电减轻MBR膜污染的机理研究

膜污染是当前膜生物反应器(MBR)技术应用中存在的最主要障碍，如何实现膜污染的有效控制是当前亟需解决的一个问题。本课题基于电场强化过滤过程的基本原理和微生物燃料电池MFC技术的最新研究进展，提出一种新的膜污染控制思路- - 通过MFC与MBR系统的耦合，利用MFC为MBR提供一个弱电场来减缓膜污染。申请人拟利用多种化学分析方法和光谱分析和显微成像技术，结合动力学模型模拟，研究在弱电场作用下微生物细胞和EPS、SMP等主要膜污染物质在膜表面的运动和沉积规律，探索MFC所形成电场对膜污染的减缓机理。通过本课题的研究，我们有望找到一条经济、有效的原位控制MBR膜污染的新途径，阐明电场下MBR膜污染减缓的机理，并为MFC的原位利用开拓一个新的方向。

膜污染一直是膜生物反应器(MBR)运行中的主要问题之一。与此同时，微生物燃料电池(MFC)作为一种新兴的废水处理技术近年来也得到了迅速发展，但而如何有效利用MFC产生的微弱电能也是有待解决的一个问题。MBR和MFC工艺都能用于废水处理并且采用微生物作为催化剂，因而两者具有很好的兼容性。此外，考虑到膜污染与膜表面性质密切相关，因此本课题提出了利用MFC原位产电来控制膜污染的思路，希望同时解决以上两个问题。为此，我们构建了新型的生物电化学膜反应器系统，采用钢丝网同时作为MBR的过滤支撑材料和MFC阴极，并利用钢丝网上形成的生物膜为实际过滤层和阴极氧还原催化剂，从而实现了MBR和MFC的耦合。在采用模拟城市污水的连续流运行过程中，该系统的最大产电功率密度和电流密度分别达到了1.43 W/m3和18.49 A/m3；同时，该系统的COD和NH4+-N平均去除率分别达到93.7%和96.5%，出水浊度低于2NTU。可见，该工艺不仅有很好的废水处理效果，而且能同时能回收部分电能。在此基础上，对该反应器的产电和膜污染情况进行了全面研究，结果证实了这种新工艺的可行性。该系统在闭路时比在开路时的膜污染显著减缓，并且减缓程度与产电量有一定关系。其主要机理包括两方面：首先，膜表面由于带负电荷能与污泥间产生电场排斥力从而减少微生物和EPS的附着；另外，膜表面会产生H2O2，后者能与膜表面的一些污染物发现反应，从而原位清除部分膜污染物。因此，本课题中提出的这种新工艺将能够在不增加任何能耗（甚至能回收部分能量）的情况下实现对膜污染的控制，从而有望进一步降低废水处理的能耗和运行成本。