文_張偉亮 陳益明 張健 劉洋

1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院; 2.福建省環(huán)境科學(xué)研究院

1 電化學(xué)技術(shù)在膜-生物反應(yīng)器中的作用原理

電化學(xué)膜-生物反應(yīng)器是將電化學(xué)技術(shù)施加到膜生物反應(yīng)器（Membrane bioreactor, MBR）上，作用于活性污泥進而通過對其性質(zhì)的改變間接地改善MBR 的過濾環(huán)境，最終達到減緩膜污染的目的。

在MBR 中引入電化學(xué)技術(shù)能夠起到的作用有2 個：①電極反應(yīng)產(chǎn)生帶正電的絮凝物質(zhì)與帶負電的膜污染物質(zhì)例如胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）中的蛋白質(zhì)通過電荷中和作用而被中和。②電化學(xué)作用能改變活性污泥性質(zhì)、改善MBR 的運行環(huán)境，進而減緩膜污染。因此，由一個陽極和一個陰極組成的直流電極反應(yīng)系統(tǒng)已成為緩解MBR 中膜污染的一種新型方法。

2 電化學(xué)MBR的影響因素

電化學(xué)MBR 中影響膜污染和污泥特性的因素主要包括電流密度、電場強度、電源開停模式、電極材料等。

Hua 等人在研究電化學(xué)技術(shù)對MBR 中膜污染的緩解和污泥特性的影響時，發(fā)現(xiàn)電流密度在低至10 ～20A/m2時，有利于降低EPS（蛋白質(zhì)和多糖）的濃度進而改善MBR 膜污染情況。然而當電流密度在30 ～40A/m2時，電化學(xué)MBR 系統(tǒng)污泥懸浮液中EPS 的濃度突然增加，原因是較高的電流密度會造成微生物裂解死亡，產(chǎn)生越來越多的多糖和蛋白質(zhì)，進一步加劇膜污染的問題。因此，需要合理控制電流密度對MBR 的影響。

Akamatsu 等人使用由聚偏二氟乙烯制成的平板型微濾膜，內(nèi)部嵌入碳纖維布電極。探究不同電化學(xué)參數(shù)對MBR 處理效果的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膜污染抑制效果與電場強度密切相關(guān)。當施加較強的電場時，可以更好地恢復(fù)出水通量。因為當施加更強的電場時，更強的電場力作用在膜表面上并去除了膜污染物質(zhì)。這種膜污染物的抑制性能隨著電場強度的增加而增加，因為更大的電場強度還增加了膜表面與帶負電荷的顆粒之間的排斥力。

關(guān)于電極材料對MBR 影響的相關(guān)研究，目前以鐵或者鋁電極為主。因為鐵與鋁相對廉價，電極產(chǎn)物不僅對微生物生長有促進作用，而且產(chǎn)生的Fe(OH)3與Al(OH)3能夠與膜污染相關(guān)污染物發(fā)生絮凝作用，進一步優(yōu)化MBR 的運行環(huán)境。Ibeid 等人采用電化學(xué)MBR，以鋁為陽極、不銹鋼為陰極。電極產(chǎn)生的帶正電荷的Al(OH)3能夠吸引帶負電荷的溶解性微生物產(chǎn)物產(chǎn)生絮凝作用，使得污泥混合液中EPS 的蛋白質(zhì)減少了25%～55%。與鋁電極一樣，鐵電極產(chǎn)生的Fe3+離子溶解在污泥混合溶液中，在合適的pH 值下，將其首先轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3，這樣的陽離子氫氧化物聚合物也可以通過包括靜電力在內(nèi)的各種機制有效地去除帶負電膜污染物。

3 電化學(xué)MBR在水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前已有兩種新型的利用電化學(xué)技術(shù)的MBR。一種是用于浸沒式MBR，該系統(tǒng)中電極系統(tǒng)不與MBR 直接連接，在MBR外部進行電化學(xué)反應(yīng)，可減少膜污染物在膜上的沉積，從而保持更高過濾性能。另一種將電場直接施加到MBR 膜內(nèi)，某一電極安裝在MBR 內(nèi)部或者兩個電極同時安裝在MBR 內(nèi)部，從而使膜污染物與膜表面分離。

3.1 電極系統(tǒng)不與MBR直接連接

在MBR 外進行電化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)比較普遍。Hasan 等人設(shè)置了一個中型的電化學(xué)浸沒式膜生物反應(yīng)器（Submerged Membrane Electro-Bioreactor ，SMEBR）用于廢水處理，在MBR 外圍安裝電極反應(yīng)系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，與常規(guī)MBR 膜系統(tǒng)相比，SMEBR 可以顯著提高去除磷的性能，同時并減少膜污染。

Bani-Melhem 等人采用以電化學(xué)前處理+MBR 組合的技術(shù)用于洗盥污水處理，并設(shè)置對照組。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將電化學(xué)與MBR 耦合工藝是一種有效的處理洗盥污水的方法。與普通的MBR 系統(tǒng)相比，電化學(xué)MBR 工藝的膜污染速率降低了13%。與此同時，還發(fā)現(xiàn)其在COD，濁度等方面的處理性能略勝普通的MBR 系統(tǒng)，并且在去除磷酸鹽方面成效顯著。

3.2 電極系統(tǒng)與MBR直接連接

在此系統(tǒng)中，將電極系統(tǒng)內(nèi)嵌入采用廉價的大孔膜基材構(gòu)建的動態(tài)膜生物反應(yīng)器（Dynamic membrane bioreactor,DMBR）中，大孔膜基材的使用不僅能夠大大降低膜組件成本，而且還能極大提高膜通量與緩解膜污染。

Liu 等人利用低電場作用于以無紡布與滌綸布為膜基材的DMBR，將銅線陰極放置在DMBR 組件內(nèi)部，并將不銹鋼網(wǎng)陽極放置在組件外部來重新構(gòu)建電化學(xué)MBR，負電荷污泥和EPS被迫直接從膜表面移開，從而延緩膜污染；同時，延長了動態(tài)膜的運行周期，還有改善了膜通量。

Jiang 等人通過利用不銹鋼網(wǎng)為膜基材作為陰極和陽極構(gòu)建電化學(xué)MBR，與不施加電流的對照組對比發(fā)現(xiàn)，存在低電場的電化學(xué)MBR 在運行60 天期間只需要進行兩次膜清洗。然而，無電場的反應(yīng)器需要進行5 次膜清洗，這表明在DMBR中施加低電場可以有效減少膜污染。國內(nèi)研究者也有相關(guān)的報道，張萬友等人通過制作陰極負載動態(tài)膜生物反應(yīng)器(Cathode load eleetroeoagutation dynamic membrane bioreactor，CLEC-DMBR），其中電絮凝裝置陰極與不銹鋼動態(tài)膜相連，以Fe 為陽極,研究結(jié)果表明：CLEC-DMBR 陰極產(chǎn)生的微小氣泡對于延緩膜污染作用顯著，其穩(wěn)定運行周期為普通DMBR的2.5 倍。

4 未來與展望

隨著世界人口與耗水率的持續(xù)增長，亟需研發(fā)具有成本效益、可靠和環(huán)保的廢水處理技術(shù)。與傳統(tǒng)MBR 相比，電化學(xué)MBR 具有以下顯著的優(yōu)勢：①電化學(xué)的電極反應(yīng)能夠極大緩解MBR 的膜污染問題；②改善污泥性質(zhì)；③提高磷的去除效率。

電化學(xué)MBR 未來可從2 個方向進行深入研究：①將電化學(xué)技術(shù)與厭氧MBR 相結(jié)合，解決厭氧環(huán)境下MBR 膜通量低、膜污染速率快的難題；②將電化學(xué)技術(shù)與新型自養(yǎng)脫氮MBR（如MBR-全程自養(yǎng)脫氮工藝）相結(jié)合，解決自養(yǎng)脫氮MBR 中膜污染速率快的難題，且電化學(xué)作用能夠強化自養(yǎng)脫氮微生物的活性，提高脫氮效率。