电化学膜-生物反应器在水处理中的应用及研究进展

文_张伟亮 陈益明 张健 刘洋

1.福州大学环境与资源学院; 2.福建省环境科学研究院

1 电化学技术在膜-生物反应器中的作用原理

电化学膜-生物反应器是将电化学技术施加到膜生物反应器（Membrane bioreactor, MBR）上，作用于活性污泥进而通过对其性质的改变间接地改善MBR 的过滤环境，最终达到减缓膜污染的目的。

在MBR 中引入电化学技术能够起到的作用有2 个：①电极反应产生带正电的絮凝物质与带负电的膜污染物质例如胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）中的蛋白质通过电荷中和作用而被中和。②电化学作用能改变活性污泥性质、改善MBR 的运行环境，进而减缓膜污染。因此，由一个阳极和一个阴极组成的直流电极反应系统已成为缓解MBR 中膜污染的一种新型方法。

2 电化学MBR的影响因素

电化学MBR 中影响膜污染和污泥特性的因素主要包括电流密度、电场强度、电源开停模式、电极材料等。

Hua 等人在研究电化学技术对MBR 中膜污染的缓解和污泥特性的影响时，发现电流密度在低至10 ～20A/m2时，有利于降低EPS（蛋白质和多糖）的浓度进而改善MBR 膜污染情况。然而当电流密度在30 ～40A/m2时，电化学MBR 系统污泥悬浮液中EPS 的浓度突然增加，原因是较高的电流密度会造成微生物裂解死亡，产生越来越多的多糖和蛋白质，进一步加剧膜污染的问题。因此，需要合理控制电流密度对MBR 的影响。

Akamatsu 等人使用由聚偏二氟乙烯制成的平板型微滤膜，内部嵌入碳纤维布电极。探究不同电化学参数对MBR 处理效果的影响。研究结果发现，膜污染抑制效果与电场强度密切相关。当施加较强的电场时，可以更好地恢复出水通量。因为当施加更强的电场时，更强的电场力作用在膜表面上并去除了膜污染物质。这种膜污染物的抑制性能随着电场强度的增加而增加，因为更大的电场强度还增加了膜表面与带负电荷的颗粒之间的排斥力。

关于电极材料对MBR 影响的相关研究，目前以铁或者铝电极为主。因为铁与铝相对廉价，电极产物不仅对微生物生长有促进作用，而且产生的Fe(OH)3与Al(OH)3能够与膜污染相关污染物发生絮凝作用，进一步优化MBR 的运行环境。Ibeid 等人采用电化学MBR，以铝为阳极、不锈钢为阴极。电极产生的带正电荷的Al(OH)3能够吸引带负电荷的溶解性微生物产物产生絮凝作用，使得污泥混合液中EPS 的蛋白质减少了25%～55%。与铝电极一样，铁电极产生的Fe3+离子溶解在污泥混合溶液中，在合适的pH 值下，将其首先转化为Fe(OH)3，这样的阳离子氢氧化物聚合物也可以通过包括静电力在内的各种机制有效地去除带负电膜污染物。

3 电化学MBR在水处理中的应用现状

目前已有两种新型的利用电化学技术的MBR。一种是用于浸没式MBR，该系统中电极系统不与MBR 直接连接，在MBR外部进行电化学反应，可减少膜污染物在膜上的沉积，从而保持更高过滤性能。另一种将电场直接施加到MBR 膜内，某一电极安装在MBR 内部或者两个电极同时安装在MBR 内部，从而使膜污染物与膜表面分离。

3.1 电极系统不与MBR直接连接

在MBR 外进行电化学反应的系统比较普遍。Hasan 等人设置了一个中型的电化学浸没式膜生物反应器（Submerged Membrane Electro-Bioreactor ，SMEBR）用于废水处理，在MBR 外围安装电极反应系统。研究结果表明，与常规MBR 膜系统相比，SMEBR 可以显着提高去除磷的性能，同时并减少膜污染。

Bani-Melhem 等人采用以电化学前处理+MBR 组合的技术用于洗盥污水处理，并设置对照组。结果发现，将电化学与MBR 耦合工艺是一种有效的处理洗盥污水的方法。与普通的MBR 系统相比，电化学MBR 工艺的膜污染速率降低了13%。与此同时，还发现其在COD，浊度等方面的处理性能略胜普通的MBR 系统，并且在去除磷酸盐方面成效显著。

3.2 电极系统与MBR直接连接

在此系统中，将电极系统内嵌入采用廉价的大孔膜基材构建的动态膜生物反应器（Dynamic membrane bioreactor,DMBR）中，大孔膜基材的使用不仅能够大大降低膜组件成本，而且还能极大提高膜通量与缓解膜污染。

Liu 等人利用低电场作用于以无纺布与涤纶布为膜基材的DMBR，将铜线阴极放置在DMBR 组件内部，并将不锈钢网阳极放置在组件外部来重新构建电化学MBR，负电荷污泥和EPS被迫直接从膜表面移开，从而延缓膜污染；同时，延长了动态膜的运行周期，还有改善了膜通量。

Jiang 等人通过利用不锈钢网为膜基材作为阴极和阳极构建电化学MBR，与不施加电流的对照组对比发现，存在低电场的电化学MBR 在运行60 天期间只需要进行两次膜清洗。然而，无电场的反应器需要进行5 次膜清洗，这表明在DMBR中施加低电场可以有效减少膜污染。国内研究者也有相关的报道，张万友等人通过制作阴极负载动态膜生物反应器(Cathode load eleetroeoagutation dynamic membrane bioreactor，CLEC-DMBR），其中电絮凝装置阴极与不锈钢动态膜相连，以Fe 为阳极,研究结果表明：CLEC-DMBR 阴极产生的微小气泡对于延缓膜污染作用显著，其稳定运行周期为普通DMBR的2.5 倍。

4 未来与展望

随着世界人口与耗水率的持续增长，亟需研发具有成本效益、可靠和环保的废水处理技术。与传统MBR 相比，电化学MBR 具有以下显著的优势：①电化学的电极反应能够极大缓解MBR 的膜污染问题；②改善污泥性质；③提高磷的去除效率。

电化学MBR 未来可从2 个方向进行深入研究：①将电化学技术与厌氧MBR 相结合，解决厌氧环境下MBR 膜通量低、膜污染速率快的难题；②将电化学技术与新型自养脱氮MBR（如MBR-全程自养脱氮工艺）相结合，解决自养脱氮MBR 中膜污染速率快的难题，且电化学作用能够强化自养脱氮微生物的活性，提高脱氮效率。