MEC耦合AnMBR技术在污水处理中的研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0068

摘要/Abstract

摘要：

厌氧膜生物反应器（AnMBR）是一种集约型污水处理技术，因具有诸多优点而受到国内外学者的广泛关注，但运行过程中产生的膜污染问题是制约AnMBR进一步推广的关键影响因素。微生物电解池（MEC）耦合AnMBR技术是一种具有应用前景的技术，其可通过利用MEC阴极产氢原位冲刷污染物、增强污染物与膜面之间静电斥力的方式缓解AnMBR运行过程中的膜污染问题。基于此，系统综述了MEC-AnMBR耦合技术近年来的研究进展，介绍了MEC-AnMBR反应器的构成及基本原理，总结并分析了耦合系统在污染物去除、膜污染控制及能源回收中的应用情况，最后讨论了MEC-AnMBR耦合技术运行中的重要影响因素，并对未来MEC-AnMBR耦合技术的研究方向进行了展望。

关键词: 厌氧膜生物反应器, 微生物电解池, 膜污染控制, 生物气

Abstract:

Anaerobic membrane bioreactor（AnMBR） is an intensive sewage treatment technology，and has drawn considerable attention worldwide owing to its distinctive advantages. However，the inevitable problem of membrane fouling during operation is a key factor restricting the further promotion of AnMBR. The integration of microbial electrolysis cell（MEC） with AnMBR（MEC-AnMBR）technology has been proved to be a promising technology. In that system，not only the production of hydrogen on cathode of MEC could in situ stripping the pollutants，but also the enhancement of the electrostatic repulsion between the pollutants and the membrane surface could alleviate membrane fouling. Based on this， the advances in research of MEC-AnMBR in recent year were systematically reviewed. Firstly，the configuration and basic principle of MEC-AnMBR were summarized. Then，the MEC-AnMBR performance of pollutants removal，membrane fouling control and energy recovery were reviewed. Finally，the important factors influencing the operation of MEC-AnMBR coupling technology were discussed and the future research direction of MEC-AnMBR technology were proposed.

Key words: anaerobic membrane bioreactor, microbial electrolysis cell, membrane fouling control, biogas

中图分类号:

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I6/1

图/表 5

参考文献 47

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工艺类型	阳极	阴极	膜	电压/V	污染物去除情况	膜污染情况	生物气产生情况	文献
MEC-AnMBR	石墨纤维刷	镍基-HFMs	HFM	0.5~0.9	COD去除率>95%	膜污染速率为0.83 kPa/d； AnMBR对照组为1.58 kPa/d	83% CH₄； <1% H₂	〔12〕
MEC-AnMBR	钛网	CNTs-HFMs	HFM	-1.2	BSA去除率92.1%； SA去除率87.3%； SAB去除率56.8%	运行2 h，通量下降了1.53 L/（kPa·m²·h）；未加电对照组下降了3.01 L/（kPa· m²·h）	—	〔33〕
MEC-AnMBR	碳毡	钛网-HFMs	HFM	0.6	COD去除率70.6%	运行周期较AnMBR对照组延长1.63倍	—	〔4〕
MEC-AnFMBR	碳布	镍网	PVDF-HFM	0.7	COD去除率85%~96%	膜污染速率为0.064 kPa/d； AnFMBR对照组为0.41 kPa/d	单位COD的CH₄产率为0.200 L/g； AnFMBR对照组为0.128 L/g	〔22〕
MRC-AnOMBR	碳毡	泡沫镍	FO	0.8	有机物去除率93%； TP去除率99%	—	单位COD的CH₄产率为0.190 L/g	〔36〕
MEC-AnMBR	钛网	CNTs-HFMs	HFM	1.2	COD去除率>95%	膜污染速率为0.67 kPa/d；采用PVDF-HFMs的未加电对照组为1.33 kPa/d	单位VSS的CH₄产率为 0.111 L/（g·d）	〔37〕
AnOMEBR	碳刷	不锈钢丝网	FO	0.5	COD去除率80.61%	运行周期较AnOMBR对照组延长1.27倍	单位COD的CH₄产率为 0.281 L/g	〔31〕

工艺类型	阳极	阴极	膜	电压/V	污染物去除情况	膜污染情况	生物气产生情况	文献
MEC-AnMBR	石墨纤维刷	镍基-HFMs	HFM	0.5~0.9	COD去除率>95%	膜污染速率为0.83 kPa/d； AnMBR对照组为1.58 kPa/d	83% CH₄； <1% H₂	〔12〕
MEC-AnMBR	钛网	CNTs-HFMs	HFM	-1.2	BSA去除率92.1%； SA去除率87.3%； SAB去除率56.8%	运行2 h，通量下降了1.53 L/（kPa·m²·h）；未加电对照组下降了3.01 L/（kPa· m²·h）	—	〔33〕
MEC-AnMBR	碳毡	钛网-HFMs	HFM	0.6	COD去除率70.6%	运行周期较AnMBR对照组延长1.63倍	—	〔4〕
MEC-AnFMBR	碳布	镍网	PVDF-HFM	0.7	COD去除率85%~96%	膜污染速率为0.064 kPa/d； AnFMBR对照组为0.41 kPa/d	单位COD的CH₄产率为0.200 L/g； AnFMBR对照组为0.128 L/g	〔22〕
MRC-AnOMBR	碳毡	泡沫镍	FO	0.8	有机物去除率93%； TP去除率99%	—	单位COD的CH₄产率为0.190 L/g	〔36〕
MEC-AnMBR	钛网	CNTs-HFMs	HFM	1.2	COD去除率>95%	膜污染速率为0.67 kPa/d；采用PVDF-HFMs的未加电对照组为1.33 kPa/d	单位VSS的CH₄产率为 0.111 L/（g·d）	〔37〕
AnOMEBR	碳刷	不锈钢丝网	FO	0.5	COD去除率80.61%	运行周期较AnOMBR对照组延长1.27倍	单位COD的CH₄产率为 0.281 L/g	〔31〕

工艺	影响因素	因素水平	运行情况	文献
MEC-AnMBR	外加电压	0、0.4、0.6、0.8、1.2 V	当外加电压为0.6 V时，运行性能最佳，COD去除率可达70.6%，较 AnMBR对照组提升49.4%；运行周期延长1.63倍	〔4〕
MEC-AnMBR	外加电压	0、0.5、0.7、0.9 V	增大外加电压能增强氢气产生速率与回收率；当电压分别为0.5、0.7、0.9 V时，库仑效率分别为53%、81%、65%；当电压为0.7 V时，超过71%的底物能量被转化成富含CH₄的生物气，运行净能耗仅为0.27 kW·h/m³	〔12〕
MEC-AnMBR	外加电压	0、0.5、0.7、0.9 V	增大外加电压可显著改善体系运行情况（包括CH₄产量及电流密度）；长期施加0.9 V电压会使系统运行性能恶化，促进ARGs的水平基因转移	〔38〕
MEC-AnMBR	外加电压	0.7、0.9 V	当外加电压为0.9 V（0.09 kPa/d）时，体系中膜污染情况缓解，膜污染速率较外加电压为0.7 V（0.18 kPa/d）时显著降低	〔23〕
MEC-AnMBR	反应器构型	矩形、圆柱形	矩形装置中膜面有机污染层厚度（0.4 μm）较圆柱形装置（4.0 μm）显著降低；矩形装置中出水水质优于圆柱形装置	〔23〕
MEC-AnMBR	外加电压	0、0.4、0.8、1.2、1.4 V	1.2 V为最佳电压；阴极膜可通过排斥带负电污染物，阻碍凝胶层的形成，有效减少膜污染；最佳电压条件下膜污染速率（1.2 kPa/d）较未加电对照组（2.0 kPa/d）显著降低	〔33〕
MEC-AnMBR	外加电位	-0.5、-1.0、 -2.0 V vs. Ag/AgCl	电位大小与CH₄产生速率无关，但电位越负会促进分解代谢，促使有机物转变为CO₂；电位<-1.0 V时，膜抗污染性能提高，运行周期延长；电位为-0.5 V时，膜污染情况加剧	〔32〕
MEC-AnMBR	SCSA	2、4、8 m²/m³	当SCSA为8 m²/m³时，气泡粒径最小；随着SCSA的增大，气体原位冲刷效果越明显，污染速率越慢	〔29〕

工艺	影响因素	因素水平	运行情况	文献
MEC-AnMBR	外加电压	0、0.4、0.6、0.8、1.2 V	当外加电压为0.6 V时，运行性能最佳，COD去除率可达70.6%，较 AnMBR对照组提升49.4%；运行周期延长1.63倍	〔4〕
MEC-AnMBR	外加电压	0、0.5、0.7、0.9 V	增大外加电压能增强氢气产生速率与回收率；当电压分别为0.5、0.7、0.9 V时，库仑效率分别为53%、81%、65%；当电压为0.7 V时，超过71%的底物能量被转化成富含CH₄的生物气，运行净能耗仅为0.27 kW·h/m³	〔12〕
MEC-AnMBR	外加电压	0、0.5、0.7、0.9 V	增大外加电压可显著改善体系运行情况（包括CH₄产量及电流密度）；长期施加0.9 V电压会使系统运行性能恶化，促进ARGs的水平基因转移	〔38〕
MEC-AnMBR	外加电压	0.7、0.9 V	当外加电压为0.9 V（0.09 kPa/d）时，体系中膜污染情况缓解，膜污染速率较外加电压为0.7 V（0.18 kPa/d）时显著降低	〔23〕
MEC-AnMBR	反应器构型	矩形、圆柱形	矩形装置中膜面有机污染层厚度（0.4 μm）较圆柱形装置（4.0 μm）显著降低；矩形装置中出水水质优于圆柱形装置	〔23〕
MEC-AnMBR	外加电压	0、0.4、0.8、1.2、1.4 V	1.2 V为最佳电压；阴极膜可通过排斥带负电污染物，阻碍凝胶层的形成，有效减少膜污染；最佳电压条件下膜污染速率（1.2 kPa/d）较未加电对照组（2.0 kPa/d）显著降低	〔33〕
MEC-AnMBR	外加电位	-0.5、-1.0、 -2.0 V vs. Ag/AgCl	电位大小与CH₄产生速率无关，但电位越负会促进分解代谢，促使有机物转变为CO₂；电位<-1.0 V时，膜抗污染性能提高，运行周期延长；电位为-0.5 V时，膜污染情况加剧	〔32〕
MEC-AnMBR	SCSA	2、4、8 m²/m³	当SCSA为8 m²/m³时，气泡粒径最小；随着SCSA的增大，气体原位冲刷效果越明显，污染速率越慢	〔29〕

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