生物电化学过程耦合导电膜AnMBR的原位膜污染控制机理及工艺调控研究

This study will aim to simply the control procedure of AnMBR, reduce energy consumption, and recycle energy from organic degradation based on the bioelectrochemical behavior, microbial succession and changes in membrane foulants. The novel AnMBR mainly consists of conductive surface of hollow fiber membrane as MEC cathode, namely MEC-AnMBR, which is the integrated system of carbon removal and energy generation. The dynamic succession in microbial community structure depending on time and environmental factors is evaluated through molecular biological method to reveal the response mechanism between microbial dynamic succession and energy generation. In order to obtain the theoretical basis on the membrane fouling control by in-situ electric field of the integrated system, membrane fouling development mechanism will be studied by monitoring sludge characteristics and its distribution varying with electric field characteristics and electric generation. According to XDLVO theory, migration and transformation rule of membrane foulants is analysed to get the optimization and control mechanism of membrane foulants’ behavior by multi-physical field. The carbon removal and energy generation control mechanism of MEC-AnMBR based on the in-situ BES membrane fouling control is given through coordinated regulation and optimization of operating paramters.

本课题以简化AnMBR膜污染控制流程，降低系统能耗，回收有机物降解产能为目的，提出了以表面导电中空纤维膜为MEC阴极的MEC-AnMBR除碳产能耦合工艺。围绕耦合系统的生物电化学反应行为、微生物群落演替及代谢行为、膜特征污染物的迁移转化行为，利用分子生物学方法，辨析微生物菌群结构特征随时间和环境因子变化的动态演替规律，揭示微生物群落动态演化与反应器产能的响应机制，揭示系统产能及膜污染调控的微生物学机理。通过监测分析耦合系统中污泥性质及其时空分布随电场特性和产能情况的变化，探明耦合系统中膜污染的形成机理，为构建耦合系统电场原位调控膜污染机制提供理论基础。基于XDLVO理论，辨析多物理场作用下膜特征污染物在时空中的迁移转化规律，构建多物理场作用下污染物污染行为优化调控机制。最后，通过协同调控和优化耦合工艺运行关键参数，构建基于BES的原位控制膜污染的MEC-AnMBR除碳产能工艺控制理论。

课题从简化现有厌氧膜生物反应器（AnMBR）膜污染调控、强化厌氧产能和降低运行能耗出发，提出基于外表面导电中空纤维膜的微生物电解池（MEC）与AnMBR耦合工艺。围绕耦合工艺的生物电化学反应行为、微生物群落演替及代谢行为、膜特征污染物的迁移转化行为，利用分子生物学方法、电化学方法，探究了弱电场作用下微生物菌群结构特征随时间和环境因子变化的动态演替规律，揭示了微生物群落动态演化与反应器产能的响应机制，阐明了系统产能及膜污染调控的微生物学机理。借助COMSOL多物理场模拟软件优化了表面导电中空纤维膜的制备参数，研究了不同覆盖率阴极反应器中有机污染物降解、甲烷产率、膜污染特征、微生物种群演化等，探讨了生物阴极特性在水质净化、产能和膜污染调控中的作用机制。研究中还通过向耦合系统内加入不同价态铁元素及调控溶解氧，强化工艺除碳产甲烷的效能，通过监测分析耦合系统中污泥性质及其时空分布随电场特性、电子迁移利用和产能情况的变化，探明耦合工艺中电场强化甲烷合成路径及调控机制，揭示了阴极电子调配利用对产能及膜污染调控的作用机理，为构建耦合工艺弱电场强化产能并原位调控膜污染机制提供理论基础。基于XDLVO理论，辨析多物理场中膜污染物在时空中的迁移转化规律，构建多物理场作用下污染物污染行为优化调控机制。最后，通过协同调控和优化耦合工艺运行关键参数，构建基于生物电化学原位控制膜污染的MEC-AnMBR除碳产能工艺控制理论。课题研究表明MEC-AnMBR 耦合工艺在污水处理方面有其独特的优势，能够实现高效、低耗、膜污染可控的除碳产能目标，为AnMBR实际应用于高、低浓度污水净化过程提供理论支撑和工艺控制方法。此外，课题组设计了碳基气体扩散复合电极，用于以CO2合成甲烷的微生物电化学合成系统（MES）。通过辨析CO2供给策略、微生物种群演变规律与产物组成比例等关系，构建了一种新型的生物电合成有机物系统，为CO2减排利用提供了新的思路。