MFC电场抑制MBR膜污染机理及耦合系统能量转换研究

Microbial fuel cell (MFC)-membrane bioreactor (MBR) combined systems can enhance the degradation of contaminants, while the use of MFC to provide a weak electric field to the MBR can relieve membrane fouling. However, the mechanism of transmission, distribution and conversion of energy in the system are not yet clear, which greatly limit the application of MFC-MBR system. In this study, a novel continuous-flow MFC-MBR combined system was constructed. Comprehensive use of FTIR, three-dimensional fluorescence spectroscopy, GC-MS, T-RFLP, clone library, fluorescence quantitative PCR, FISH, and traditional microbial culture technology to identify and track pollutants and microorganisms on the membrane surface and in the electric field, reveal the mechanism of membrane fouling control under electric fields conditions. System operating conditions and parameters were optimized and the synergetic mechanism of MFC-MBR system for coking wastewater treatment was explained. Base the on the mechanism study, the energy distribution and conversion in the MFC-MBR system were analyzed and calculated, and an energy conversion model was established. This study will enrich the scientific and theoretical basis for the development of efficient, economical, productive, sustainable coking wastewater treatment technology, and the application of MFC-MBR combined technology.

微生物燃料电池（MFC）-膜生物反应器（MBR）耦合系统能够强化污染物质的降解，同时利用MFC为MBR提供一个弱电场可以减缓膜污染。然而目前关于MFC-MBR系统强化降解以及膜污染控制机理尚不明确，能量在系统中的传递、分配和转换尚不清晰，极大地限制了MFC-MBR系统的扩大应用。本研究构建了新型的MFC-MBR连续流耦合系统，综合运用FTIR、三维荧光光谱分析、GC-MS、T-RFLP、克隆文库、荧光定量PCR、FISH、传统微生物培养等技术，对膜表面及电场范围内污染物质和微生物进行识别和跟踪，揭示电场条件下膜污染控制机理；优化系统运行条件和参数，解释MFC-MBR系统强化焦化废水处理的协同机理；全过程分析和计算系统中能量分配和转换，建立能量转换模型。为开发高效、经济、产能、可持续的焦化废水处理新途径以及MFC-MBR耦合技术扩大化应用提供科学依据与理论基础。

本研究将MFC与膜生物反应器（MBR）技术耦合处理焦化废水，可以充分发挥两者的优点，MFC借助MBR提高污水COD的去除效率，MBR借助MFC提供电场减缓膜污染，降低运行成本。. 研究结果表明在MFC-MBR耦合系统中对苯酚进行降解，当水利停留时间为48h时，耦合系统的产电功率密度可达到96.8mW/m2，降解率可达到80.3%。与此同时，在MFC电场作用下，MBR的跨膜压差( TMP)达到30 kPa 所需时间为14 d，比无外加电场所用时间长6 d，说明电场作用有效抑制了MBR膜污染。.溶液中多糖和蛋白质的含量均会受到电场的影响，并且多糖的浓度比蛋白质浓度高92.8%。在微电场作用下，SMP和LB-EPS会发生远离膜表面的定向移动，而TB-EPS因为与细胞黏附紧密，难以在微电场的驱动下移动，对电场的敏感性较低。. 驯化前后，耦合系统阴极优势菌群存在明显差异。驯化后的阴极电极微生物菌群多样性下降，丰度比例有更加明显的集中，说明驯化对微生物菌群具有一定的选择作用。通过这种选择作用，适应阴极环境的菌群不断富集成为优势菌种，大部分优势菌种能够高效利用氧气，提高电子传递速率，从而提高阴极性能。因此，驯化作用能够显著改变阴极微生物多样性，并推动阴极微生物向着提高阴极性能的方向演变。. 耦合系统膜污染发展存在两个阶段，从第一阶段转变为第二阶段，实际是从中间过滤机制转变为滤饼过滤机制，能耗增加。电场只能对第一个阶段起到减缓抑制作用，一旦发展到第二阶段，电场几乎没有任何减缓作用。. 研究结果为开发高效、经济、产能、可持续的焦化废水处理新途径以及MFC-MBR耦合技术扩大化应用提供了科学依据与理论基础。