电耦合膜生物反应器中膜污染控制的研究进展

曲立威，宋海亮，刘燕青，李嘉竹，李先宁,*

(1.东南大学 能源与环境学院，江苏 南京 210096；2.南京师范大学 环境学院，江苏 南京 210023)

0 引 言

膜生物反应器(MBR)将活性污泥工艺和膜过滤相结合，与传统活性污泥技术相比，具有出水水质稳定、占地面积小、剩余污泥量少等优点，可以高效处理城市污水和工业废水，近年来受到越来越多的关注[1]。然而，MBR的膜污染问题不仅影响出水水质还会缩短膜的使用寿命，增加MBR的运行成本，从而限制了MBR的广泛应用。常见的膜污染控制技术有物理法、化学法和生物法[2-3]。近年来，由于电化学技术的经济环保优势，研究人员尝试将MBR技术与电化学技术相耦合以控制膜污染。结果发现，这种耦合技术不仅可以显著控制膜污染，还能高效处理废水[4]。研究人员将导电膜同时用做分离膜和工作电极，提高电耦合膜生物反应器(EMBR)的电能利用率，简化装置构型，导电膜耦合EMBR通过电泳[5]、电氧化[6]、气泡冲刷[7]等作用可以有效减缓膜污染并提高出水水质。传统EMBR外加电场强度高、能耗大，而废水中有机物本身含有大量可转化为电能的能源。许多研究学者将微生物燃料电池(MFC)与MBR相结合，通过MFC自生电场有效控制膜污染[8-10]。

本文阐述了MBR膜污染的成因及影响因素，介绍了MBR与其他技术相结合的膜污染控制效果，重点分析了电化学控制膜污染的机理，论述了导电膜的应用进展，综述了国内外MFC耦合MBR减缓膜污染的研究现状，最后提出了EMBR的研究建议，以期为MBR膜污染控制方面提供理论和技术参考。

1 膜污染形成影响因素及控制技术

1.1 膜污染形成影响因素

MBR处理废水的主要挑战是膜污染，膜被污染后水通量下降、压力损失增加、膜的清洁和更换频率增加，这些运行问题会导致更高的能耗、药耗和人工费，最终增加了MBR的运行和维护成本[11]。膜污染是指颗粒物、胶体、可溶性有机物、无机物、微生物细胞等沉积在膜的表面和孔隙，使得膜孔径变小或者堵塞，从而造成膜通量降低和跨膜压差(TMP)升高的现象。根据污垢成分对膜污染的相对贡献，膜污染机制主要包括：(1)胶体颗粒的膜孔堵塞；(2)污泥絮体沉积在膜表面；(3)在膜表面形成滤饼层；(4)剪切力造成滤饼层脱落；(5)长期运行过程中滤饼层成分的时空变化(如滤饼层中细菌群落和生物聚合物成分的变化)[12]。膜污染是由膜和污泥混合液之间的相互作用引起的，所以与膜和污泥混合液相关的参数都会影响膜污染，主要影响参数有污泥混合液性质、膜自身性质和操作条件。污泥混合液性质、膜自身性质直接影响膜污染，操作条件通过影响污泥特性间接影响膜污染[13]。这些参数对膜污染的影响详见表1。

表1 部分参数对膜污染的影响

1.1.1 污泥混合液性质

胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物产物(SMP)是目前广泛认可的造成膜污染的主要物质，其生物降解性差，因此会在膜表面堆积，污泥中SMP、EPS浓度越高膜污染越严重[14-16]。混合液悬浮固体浓度(MLSS)对膜污染的影响尚无定论，可能是不利的、有利的或不受影响的[17-18]。Lin等[19]研究表明污泥粒径越小越容易引起膜污染。膜生物反应器的膜污染过程中，膜表面会逐渐形成滤饼层，导致滤饼层过滤阻力增加，膜通量下降。滤饼层过滤阻力与污泥粒径有关，粒径越小，滤饼层孔隙率越小，阻力越大。

1.1.2 膜自身性质

膜的孔径、表面粗糙度以及亲/疏水性等膜自身特性也会影响膜污染程度。膜孔径越大，活性污泥中的污染物越易进入膜孔内堵塞膜孔，且研究表明，膜孔径越大，粒径大小对膜污染的影响越不明显[20]。膜表面粗糙程度越大，膜比表面积越大，污染物质越易沉积在膜表面造成膜污染[21]。亲水性膜的特点是存在能够与水形成氢键的活性基团，因此相较于疏水性膜，亲水性膜具有更好的润湿性。一般认为亲水性膜抗污染能力更强[22-23]。

1.1.3 操作条件

影响膜污染的操作条件主要有水力停留时间(HRT)、温度(T)、有机负荷率(OLR)、污泥停留时间(SRT)和水动力条件。在低温或者较低的HRT冲击下，微生物会产生更多的SMP和EPS以保护自己免受不利环境的影响，导致活性污泥中SMP与EPS浓度增加，从而加剧了膜污染[24-26]。目前的研究已经评估了SRT和OLR对MBR中膜污染的影响，但报告的结果相互矛盾。大量研究表明OLR与SMP和EPS浓度存在正相关关系，较高的有机负荷率容易造成膜污染。此外，当MLSS较低时，随着OLR增高，微生物进入对数增长期，污泥松散不易形成菌胶团，容易堵塞膜孔隙，也会加剧膜污染[27-28]。然而Oghyanous等[29]研究表明，适当提高OLR可以减少膜的不可逆污染。随着SRT的适当延长，MLSS增加，SMP浓度降低，膜污染有所缓解[11,29]。Huang等[30]研究表明，在最长SRT的条件下，MBR中MLSS和SMP浓度最高，这加速了滤饼层的形成。因此，MBR系统具有最优的SRT与HRT值。Qi等[31]研究转速分别为60、120、180 r/min时膜污染的变化规律，研究发现低速搅拌时，污泥膨胀，凝胶层阻力的比例增加，膜污染更严重。

1.2 膜污染控制技术

研究人员利用膜污染控制技术恢复膜通量，主要包括物理、化学和生物法。物理法包括空气冲刷[32]、反冲洗[33]、动态膜技术[34]、超声清洗[35]等。化学法通过添加酸(如HCl)、碱(如NaOH)、氧化剂(如NaClO或H2O2)、絮凝剂等[36]改善污泥性质以控制膜污染。生物法[37-39]如群体淬灭(QQ)、酶促破坏和能量解偶联在实验室或中试规模的MBR中具有有效的生物污垢控制潜力。物理化学清洗具有操作简便的优势[40]，但物理化学清洗控制膜污染有一定局限性，很难完全恢复膜通量，需要利用化学清洗去除大部分污染物。化学清洗可能引起膜材料的物理结构和化学性质变化，从而影响膜的分离性能[41]。相对于传统物理化学法，生物法控制膜污染更经济可行，但详细的膜污染控制机制仍不清楚，污泥中的功能微生物或化学物质不稳定，尚不清楚生物法是否可以替代传统物理化学法。

近年来研究人员尝试通过MBR耦合其他技术，以期提高出水水质，延缓膜污染。渗透膜生物反应器(OMBR)是一种涉及正向渗透(FO)膜和活性污泥的混合工艺。与传统的MBR(CMBR)工艺相比，OMBR以渗透压为驱动力，水自发地从低浓度原料液侧通过膜到达高浓度汲取液侧，可有效减缓膜污染、提高出水水质并降低能耗[42-43]。Phuntsho等[44]构建OMBR系统，使用35 g/L NaCl作为汲取溶液，OMBR具有较高的初始水通量(6.3 LMH)和有机物去除效率。此外，在OMBR系统运行33 d期间，膜污染得到有效缓解，膜通量下降速度缓慢。长期运行导致生物反应器盐分的积累，改变了污泥特性，微生物活性下降，最终导致FO膜结垢加重[45]。Moser等[46]将超滤(UF)与OMBR相结合防止了生物反应器中盐度的积累，虽然超滤膜污染增加，但FO膜在没有化学清洗的情况下稳定运行超过215 d，有效减缓了膜污染。

移动床生物膜反应器(MBBR)是一种生物膜废水处理技术，在曝气池中添加自由漂浮的生物膜载体，旨在提高活性生物质浓度[47]。Luo等[48]研究发现，与CMBR相比，MBBR-MBR体系不仅可以通过生物降解有效去除大部分污染物，还能改变MBR中EPS和SMP的特性，最终有效减缓膜污染。Deng等[49]对比海绵改性生物载体的MBBR和传统MBBR两种技术对膜污染控制效果的差异，结果发现，前者不仅可以提高有机物的去除效率，还能改变污泥混合液性质，使污泥混合液中SMP中PN/PS增加，降低SMP浓度，进而降低滤饼层阻力，减缓膜污染。移动床生物膜反应器具有生物量高、运行稳定可靠、剩余污泥产量低、硝化速率高等优点，已成为增强传统活性污泥工艺的另一种有前景的工艺。

2 电耦合膜生物反应器减缓膜污染机理

以上耦合技术在控制膜污染方面展现了可喜的成果。但近年来，研究人员发现电化学工艺减缓膜污染方面更具优势。EMBR通过电化学过程可以增强磷和微污染物的去除效率，提高出水水质，还能高效控制膜污染[50]。相比于传统物化法，EMBR膜污染控制效果好、无二次污染、成本低、出水水质好，是一种新兴原位膜污染控制技术。EMBR电化学工艺减缓膜污染主要通过电渗、电泳、电氧化或者基于电化学的QQ协同控制污染物沉积于膜表面[51]。

2.1 电渗

如图1(b)所示，在外部电场作用下，EMBR系统中液体进行的反向拖拽运动，即带正电的液体向阴极运动即为电渗[52-53]。Ibeid等[54]构建浸没式EMBR，在整个运行期间观察到结合水量仅为6 g H2O/g TSS，而CMBR中结合水量为30 g H2O/g TSS，施加直流电有利于降低滤饼层的含水率，电渗机制可以去除微生物絮体双电层中的结合水，从而降低污泥的过滤比阻，进一步控制膜污染。Liu等[55]研究发现电渗与电解质相关，无电解质时，膜通量没有随着电压的增加而显著变化，当电解质浓度增加到1 mmol/L时，分别施加10、30、50、70 V电压，膜通量分别增加了0、6%、10%和8%。电解质的存在会引起电渗作用，从而增加膜的通透性，当电解质浓度进一步增加到0.005 mol/L时，过高的电解质浓度导致膜表面产生更多气泡，气泡可能会粘附在膜表面降低膜表面的液-液传质面积，从而导致膜渗透性降低。

2.2 电泳

当滤膜与阴极距离较近时，阴极的强静电排斥会阻碍微生物(污泥)和EPS(SMP)等带负电荷的污染物在膜表面的沉积，难以形成致密的滤饼层，同时促进电活性生物膜的生长并抑制污染物在膜表面的粘附从而减轻膜污染，如图1(c)所示。Jiang等[56]对EMBR施加0.8 V/cm场强，膜表面的结合EPS含量和PN/PS的降低表明污泥表面的负电荷增加，污泥表面疏水性降低，导致污泥与带负电荷的膜之间的静电斥力增加，易形成松散的滤饼层。Ding等[57]研究了不同电压对减缓膜污染的影响，施加0～1.2 V外加电压，随着外加电压的升高，EMBR反应器的膜污染速率逐渐减慢，膜污染周期可以从60 h延长到98 h，而COD去除率呈先升后降的趋势，表明较高的电压会破坏细胞膜，导致细胞生长和代谢减慢，从而对微生物降解过程产生负面影响。外加高电压可以有效减缓膜污染，但能耗较高，且影响出水水质，因此需要综合考虑反应器性能、膜污染控制和经济成本等多种因素来选择合理的外加电压。

2.3 牺牲阳极电氧化-电絮凝

电絮凝指将低析氧电位材料(如Al/Fe)作为EMBR系统的牺牲阳极，通过阳极电氧化生成混凝剂破坏污染物稳定性，形成较大粒径絮凝物，从而阻止污染物沉积于膜表面[58-59]，如图1(d)所示。Ibeid等[60]证明电絮凝降低SMP中PN和PS含量，膜污染速率降低了4倍，此外，构建以悬浮物浓度和SMP为自变量的多元回归模型可准确预测膜污染行为。高电流密度在单位时间内产生更多的混凝剂，从而增强了带负电荷的污染物的聚集。Borea等[61]构建Al阳极EMBR，与CMBR相比，当电流密度分别为0.3、0.5、1.15 mA/cm2时，EMBR中污泥絮体的平均直径分别从73.57 μm增加到80.35、91.39、100.64 μm，EMBR的膜污染率分别降低24%、44%和45%。研究表明，相较于Fe阳极，Al作为牺牲阳极时形成的絮状物呈现出更高的极化度，形成的滤饼层孔隙更多，具有更好的膜污染控制性能[62]。电絮凝控制膜污染无需投加化学药剂，减少了二次污染，具有较好膜污染控制性能，但电极使用寿命短限制了电絮凝技术的发展。

2.4 非牺牲阳极电氧化

高析氧电位材料为阳极时(如Ti、Pt)[63]，非牺牲阳极电氧化减缓膜污染包括直接氧化和间接氧化，如图1(e)所示。直接氧化是指在低电势条件下(低于析氧电势)电子从有机污染物转移至阳极表面。间接氧化是指在工作电位高于析氧电位时，阳极产生的活性氧(ROS)氧化阳极周围的污染物，如强氧化剂(·OH)和一些中/弱氧化剂(H2O2和O3)[64-65]。此外，当阴离子如氯离子、磷酸根、硫酸根离子存在时，阴离子在阳极被氧化也可以生成氧化剂如活性氯、次氯酸、过硫酸根等，从而间接氧化阳极周围的污染物[66]。Wang[67]等自制碳纳米管(CNT)导电陶瓷膜，施加3 V电压，原位产生次氯酸和次氯酸根离子等氧化剂，1 min近乎可完全恢复膜通量。虽然大部分电氧化反应是在阳极进行的，但在阴极通入氧气或空气时也可以生成H2O2，降解生物污垢(SMP和EPS)或使细菌失活，从而减少生物污垢[65,68]，如图1(e)所示。Shi等[69]研究表明随着电场强度从0上升到1.75 V/cm，阴极H2O2的产生量逐渐增加，在外加电场为1.75 V/cm时，H2O2的最高产量达到1.96 mg/L，同时，膜污染时长由85 h延长至190 h。非牺牲阳极电氧化减缓膜污染的同时可以增强污染物的去除效果。Chen等[50]构建了移动床电化学膜生物反应器(MEMBR)，石墨板阳极可以将H2O电解为·OH从而氧化磺胺甲恶唑，同时阴极可以产生H2O2进一步去除磺胺甲恶唑中间产物并减轻膜污染，与传统移动床膜生物反应器相比，MEMBR的TMP增长率从1.72 kPa/d降到1.06 kPa/d。

2.5 基于电化学的QQ

QQ是一种有前景的膜生物污染控制策略，它可以抑制微生物群体的感应(QS)程度，中断细菌之间的交流从而减少膜表面的滤饼层生物污染的形成[70]。QQ抑制QS方法包括[39]：(1)抑制信号分子的合成；(2)灭活或降解信号分子；(3)干扰信号受体；(4)增加QQ细菌的比例并抑制QS菌的活性。在EMBR中应用最多的QQ方法主要是灭活/降解信号分子[37]。MBR中主要针对生物污垢控制的信号分子是N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)和自体诱导物-2，其中N-己酰高丝氨酸内酯、N-辛酰基-L-高丝氨酸内酯(C8-HSL)和N-(3-辛酰基)-L-高丝氨酸内酯被证明是导致膜生物污染的三种主要QS的信号物质[71]。

基于电化学的QQ是指通过电化学产生ROS降解信号分子(如AHL)从而抑制膜表面生物膜的生长[72-73]，如图1(f)所示。Borea等[74]构建EMBR去除难降解有机物，结果发现阿特拉津和雌酮的去除效率均提高了36%，同时发现C8-HSL信号分子减少了76%，膜污染速率从2.95 kPa/d 下降到0.75 kPa/d，降低了74.65%。随着电压的升高，AHL被H2O2降解，膜表面生物聚合物降解属富集，生物膜形成属减少，从而降低了EPS含量并减缓了膜污染[75]。

3 应用导电膜控制膜污染研究进展

简化EMBR工艺的一种有效方法是使用导电膜[76]。研究人员发现将导电膜作为电化学系统的阳极和/或阴极，不仅可以大大简化装置结构，提高电能利用效率，还能显著控制膜污染。因此制备具有良好过滤性能及导电效果的微滤膜并将其用于MBR污水处理系统，具有较为重要的理论和应用研究价值。研究发现给MBR导电膜施加直流电(DC)与交流电(AC)均可有效控制膜污染。

3.1 导电膜的制备

根据导电膜的制备材料，可将其分为无机导电膜和有机导电膜。与无机导电膜相比，有机导电膜材料成本更低、制备工艺简单多样且材料来源广，在实际应用中占据绝对优势。导电膜的制备方法主要包括表面改性法和共混法，常用的导电材料有导电高分子聚合物(聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等)、碳材料(CNT、石墨烯等)和金属等[77]。

表面改性法制备导电膜在有机膜材料(PVDF、醋酸纤维素、聚砜、聚乙烯等)的基础上原位聚合导电材料。Yuan等[78]将FeCl3溶液涂覆在PVDF膜面，然后采用气相聚合法将3,4-亚乙基二氧噻吩负载到膜表面，制备高导电性滤膜(薄层电阻14.7 kΩ)。Hashaikeh等[7]采用真空过滤法将多壁碳纳米管(MWCNTs)涂覆到PVDF表面，制备了电导率为10 S/cm的高导电性MWCNTs-PVDF导电膜。

共混法制备导电微滤膜是将导电材料掺入于铸膜液中，通过相转化法制备。Li等[79]将碳纳米颗粒和还原Pd2+、Co2+、Fe3+、氧化石墨烯形成的催化剂添加到聚偏氟乙烯(PVDF)铸膜液中，并用刮刀将溶液浇铸在碳纤维布上，开发了一种具有高渗透率(5.98×104LMH/bar)和高电导率(15.2×10-2S/cm)的复合膜。Xing[80]等在室温下将PVDF与离子液体(IL)1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐进行熔融共混，成功获得了一种具有优异延展性、高透光率、良好抗静电性能的PVDF/IL导电膜。由于共混法中绝缘材料限制了膜的导电性，而表面改性技术可能会在膜的长期运行中导致导电材料脱落[81]，因此考虑表面改性法与共混法的结合应用，为制备耐用且导电性良好的导电膜提供新的思路。

3.2 外加DC控制膜污染

3.2.1 导电膜做阴极

研究发现导电膜做阴极时，给导电膜施加DC，电泳作用可以抑制电负性的EPS、SMP沉积在膜表面。Cao等[82]通过在碳膜上电沉积Pd制备了阴极Pd/C导电膜，在1.6 V的直流电压辅助下实现了苯酚及其中间体的有效降解，并提高了膜的防污性能。Wang等[5]自制改性聚苯胺导电膜，相比于对照组，施加2 V外加电压的膜材料的污染物与膜之间的静电排斥力明显增强，导致污垢层更松散，减缓了膜通量的衰减。此外，氢离子在阴极表面发生还原反应生成H2，H2的冲刷作用可以原位清洗沉积在膜表面的污垢。Hashaikeh等[7]制备了CNT-PVDF导电膜作为电化学系统的阴极，通过恒电位仪给阴极导电膜稳定施加2 V电压，探索阴极滤膜过滤酵母溶液和碳酸钙溶液时的防污性能，结果发现，外加电场可以促进膜表面形成微气泡，促使膜通量恢复率高达80%。

3.2.2 导电膜做阳极

导电膜做阳极时，电化学氧化有助于污染物的降解并去除膜表面甚至膜孔深处的污垢，同时抑制生物膜的形成[83]。Fan等[6]自制CNT-Al2O3阳极导电膜，相比于对照组，施加1.5 V电压后腐殖酸的去除率和膜渗透通量分别增加3倍和1.6倍。Yu等[84]在AnMBR中使用CNT膜作为阳极来防止膜污染。由于静电粘附，在阳极膜反应器的初始阶段膜污染加剧，通过阳极氧化分解滤饼层中过量的EPS，阳极膜上的滤饼层变薄，并将污垢转化为网状动态生物过滤器，最终阳极膜上的污垢生长和分解达到了动态平衡，导电膜达到了永不堵塞的运行状态。

3.3 外加AC控制膜污染

研究发现给导电膜施加AC时，正负电的交替转化可结合导电膜单独做阴极或阳极的优势进而控制膜污染。当AC极化电极时，明显伴随着静电分离、电氧化和细菌失活。Thamaraiselvan等[85]对CNT导电膜施加极化电流，研究发现直接氧化和静电排斥作用协同控制膜污染，并且该研究人员发现，相比于给导电膜施加DC，AC展现出优异的抗生物污染能力。Lannoy等[86]对CNT-聚醚砜纳米导电膜施加低频AC(1.5 V方波，16.7 mHz)可以在长期运行中抑制生物膜的形成，相比于对照系统，膜通量下降速率降低了3倍。Zhang等[87]以120 s为周期对CNT-中空纤维导电膜施加AC(+1.0 V/-1.2 V，方波)探索该膜的防污性能，结果发现导电膜的平均膜污染速率为1.7 kPa/d，低于阴极DC-MBR(2.1 kPa/d)、阳极DC-EMBR(2.5 kPa/d)和CMBR(2.9 kPa/d)，并发现施加AC的膜不可逆污染低于施加DC的膜和不加电场的膜。

EMBR体系可以有效减缓膜污染，但外加电场需要外部供电设施、能耗高甚至会导致细菌失活[88]。因此，无需额外电能消耗和复杂的电力设施就可高效控制膜污染的自生电场，近年来受到研究人员的青睐。

4 自生电场控制膜污染研究进展

MFC能利用电活性微生物氧化污水中的有机物，从废水中直接获取电能并自生电场，减少了处理污水时的能耗，是一种清洁能源技术和新兴可持续发展的污水处理技术[89]。研究表明MFC产生的微电场可以满足MBR系统去除膜污染所需的电场强度，其电场强度可通过调整外接电阻来改变[90-91]。因此，研究人员尝试构建自生电场MFC-MBR装置，MFC-MBR耦合系统，这不仅为膜污染控制提供了新的选择，而且还有助于MFC的规模化和实际应用，是一项具有前景的新型废水处理技术。

MFC-MBR主要通过自生电场改变污泥特性从而减缓膜污染。Tian[92]等将中空纤维膜生物反应器与MFC相耦合，与C-MBR相比，MFC-MBR膜污染速率降低了56%，在低电流的长期作用下，MFC-MBR中的污泥絮体更均匀，丝状细菌更少，污泥中LB-EPS减少，SMP中PN/PS增加。Li等[8]研究表明MFC-MBR中污泥絮体表现出较低的疏水性和较少的表面负电荷，根据扩展的DLVO分析，在MFC-MBR中观察到污泥中SMP与清洁膜或SMP污染膜之间的粘附自由能降低。当接近干净的膜或SMP污染的膜时，MFC-MBR中的SMP必须克服比C-MBR中更高的能量障碍，MFC-MBR中SMP在膜表面的吸附受到抑制，该研究证实MFC-MBR可以降低污泥絮体的污染潜力。Wang等[93]研究了MLSS浓度对膜污染的影响，结果表明，MFC在低有机负荷阶段(0.59 kg COD/(m3·d))膜污染加剧，而在高有机负荷阶段(2.00 kg COD/(m3·d))对有机物降解起积极作用，耦合系统在生物电场的作用下可显著抑制SMP和LB-EPS粘附于膜表面，进而减缓膜污染，MFC-MBR依赖于阳极微生物氧化有机物产生电能抑制膜污染，所以MFC-MBR缓解膜污染需要在同时满足MFC和MBR需求的系统能量的情况下才能实现。为了进一步提高MFC-MBR系统减缓膜污染的能力，需要通过改善操作条件来提高发电，以便投入实际应用。Li等[94]将颗粒活性炭(GAC)应用于MFC-MBR阴极室中，流化态的GAC可能与阴极接触从而充当阴极电极的一部分，GAC的存在使MFC-MBR产生的电流密度从200.3 A/m3提高到256.0 A/m3；GAC的大表面积促进了生物膜的形成，从而减少了生物污垢附着在膜表面上，此外，流化GAC对膜表面的物理磨损可去除污垢，有助于缓解膜污染问题。

也有研究人员将导电膜应用于MFC-MBR中，导电膜作为MBR滤膜的同时还作为MFC的阴极，导电膜耦合MFC-MBR示意图如图2所示，厌氧条件下，阳极表面产电菌氧化有机物释放电子和质子，质子穿过质子交换膜到达阴极导电膜，电子通过外电路传输到阴极导电膜，阴极室中的氧化物质(如氧气、铁氰化物和过氧化氢)与电子和质子发生还原反应，自生电场控制膜污染。导电膜耦合MFC-MBR主要通过静电排斥作用减缓膜污染。Huang等[10]采用浸渍-沉淀相转化的方法制备了还原氧化石墨烯(RGO)改性的阴极导电平板微滤膜，反应器中带负电的细菌(或污泥)与阴极膜之间存在静电排斥力，有利于减缓生物污染。此外，RGO提高了滤膜的亲水性，减弱了污染物与膜之间的相互作用，进一步减轻了膜的不可逆污染。研究表明，当阴极导电膜表面产生H2O2或·OH时，原位清洁作用也可以协同控制膜污染。Xu等[95]将制备的聚吡咯/蒽醌-二磺酸盐导电膜作为双室MFC的阴极，通过MFC自生电场产生的静电斥力阻止污染物沉积于膜表面，同时利用阴极产生的H2O2和·OH氧化膜表面或者膜孔中的污染物，有效减缓膜污染。

图2 导电膜耦合MFC-MBR示意图Fig.2 Schematic diagram of conductivemembrane coupling MFC-MBR

5 结论与展望

本文介绍了减缓膜污染的常用方法，并介绍了其他工艺耦合MBR减缓膜污染的工艺，其中电化学过程与MBR耦合的EMBR系统可以在不影响出水水质的情况下，通过电化学作用(电渗、电泳、电氧化、基于电化学的QQ)有效减缓膜污染。导电膜的应用大大优化了EMBR结构，外加电场直接应用于MBR会导致高能耗，并可能对细菌活性产生负面影响，同时增加能源消耗。自生电场的MFC-MBR工艺的耦合将会在废水处理的可持续发展中发挥重要作用。

EMBR是一种新兴的废水处理工艺，可在有效处理废水的同时控制膜污染，但其研究大多停留在实验室规模，需要大量的研究工作来扩大EMBR技术的规模。综合国内外相关研究与应用的态势，笔者认为，为了进一步优化耦合系统，还需要进一步研究以下几个方面：(1)制备导电性强并且耐用的导电膜应用于EMBR系统中，以优化EMBR系统；(2)交流电的减缓效果优于直流电，但仍需要深入研究其减缓机理；(3)为了增强耦合系统在不利条件下的适应性，应进一步探索耦合系统对难降解有机废水的应用效果；(4)MFC在长期运行中很难保持稳定的电能输出，提高MFC-MBR系统的产电能力对于其实际应用具有重要意义。随着EMBR耦合技术的发展，EMBR系统有望在未来作为新型污水处理技术在工业领域得到推广和应用。