厌氧正渗透膜生物反应器中盐度积累的生物学效应及电化学调控机制

Anaerobic osmotic membrane bioreactor (AnOMBR), as a new-generation wastewater treatment technology with benefits of recovering energy and reclaiming high-quality water from low-strength wastewater, has drawn widespread attention in the past three years. However, AnOMBR suffers from salinity accumulation, which not only lowers the wastewater treatment efficiency but also incurs suppression of methanogenic activities and aggravation of membrane fouling. Especially, the impacts of salinity accumulation on microorganisms are of critical importance, but the relevant biological effects and underlying mechanisms are poorly understood so far, nor are effective countermeasures available. To address the above key challenge, this project will investigate the biological effects (including impacts on microbial characteristics and relevant membrane fouling properties) and shed light on the underlying mechanisms by utilizing the new theories, methodologies, and analytic tools in relevant disciplines of environment, membrane science and electrochemistry. Based on the in-depth knowledge on the above biological effects and mechanisms, efforts will also be devoted to development of effective approaches to reduce the salinity accumulation and mitigate its negative effects. Then, by combining experiment study with modeling analysis, the electrochemical control mechanisms will be elucidated, and an effective electrochemical control method will be established, which may provide valuable theoretical fundamental and technological references for development of sustainable AnOMBR wastewater treatment technologies.

厌氧正渗透膜生物反应器（AnOMBR）作为新一代废水资源化技术由于能在处理低浓度废水的同时产能和获得高品质回用水，近年来引起了国内外广泛关注。然而，AnOMBR在运行过程中会出现盐度积累，不仅导致处理能力降低而且会引起产甲烷抑制、膜污染加剧等问题。其中，盐度积累对微生物的影响非常关键，但目前我们对相关生物学效应及机制仍缺乏全面深入了解，并且也缺少有效的应对策略。本项目拟针对这一关键问题，充分运用环境、膜科学、电化学等相关学科的新理论、新方法和先进的分析手段，对AnOMBR水处理过程中盐度积累的生物学效应（包括对微生物性质以及相关的膜污染特性的影响）及其机理展开深入研究，在阐明生物学响应机制及膜污染形成机制的基础上，从缓解盐度积累和消减其负面生物学效应两个层研究相应的电化学调控过程，进而结合模型研究揭示电化学调控机理，最终建立一套有效的盐度积累电化学调控方法，为发展可持续的AnOMBR废水资

正渗透（FO）技术作为一种低能耗型的过滤新技术，在废水处理领域具有巨大的广阔应用前景。但是该技术的实际应用目前仍面临诸多挑战，其中盐累积和膜污染是两个关键的瓶颈问题。针对该挑战，本项目从高盐度的生物效应、盐累积和膜污染的相互作用规律及其调控方法等方面开展了一系列研究工作。取得的主要研究成果包括：1）阐明了TFC-FO膜在高盐离子浓度下的有机-无机纳米材料污染物的复合膜污染行为，发现了二氧化钛减轻FO膜有机膜污染的作用机制；2）明确了正渗透厌氧膜生物反应器（AnOMBR）内微生物对盐度累积和pH变化的响应机制及膜污染特性，建立了能有效区分胞内外聚合物并定量描述代谢产物分布的有机物厌氧发酵新模型，揭示了pH影响AnOMBR内产酸菌与产甲烷菌群落分布及厌氧发酵产物选择性的调控机制；建立了准确描述膜生物污染对FO盐返混过程影响的数学模型，并揭示了FO膜污染影响盐返混的作用机制；4）研发了一种低盐截留、低污染的新型大孔FO膜，以大分子聚丙烯酸钠为汲取液构建了新型AnOMBR系统，并通过与常规致密FO膜及超滤膜进行了比较证实了其废水处理应用潜力；5）构建了具有聚酰胺/碳纳米管活性层的新型导电FO膜，并建立了通过电化学反应原位清除膜污染的新方法；利用石墨烯量子点和PANI修饰碳纳米管材料作为活性层，制备了具备不同电容性能的导电膜，并研究了其电化学抗污染性能，在此基础上通过电化学自清洁与电驱动抗污染技术的耦合应用，实现了该膜反应器的电驱动抗污染-自清洁稳定运行，并进一步将电化学膜污染控制与电渗析过程相耦合，实现了对膜生物反应器内厌氧发酵产物的高效分离回收。本项目研究成果为深入认识AnOMBR体系的盐度累积和膜污染机制和开发相应的调控方法奠定了理论基础，对于指导高性能FO膜及原位膜污染控制技术的开发、推动AnOMBR技术实际应用具有重要意义。