摘要
膜污染问题限制了膜生物反应器（MBR）的推广应用。利用微生物燃料电池（MFC）与MBR耦合，能有效利用MFC产生的微电场来控制膜污染，并且达到对微生物燃料电池产生的电能原位利用的目的。但是目前对MFC-MBR耦合系统中电场减缓膜污染的机理了解甚少。本研究针对电场减缓膜污染的机理，并同时考量系统运行过程中曝气产生的高能耗问题，利用一种新构型的环形电场MFC-MBR系统，研究曝气强度和电场两种因素对膜污染的影响；同时，构建了数学模型，对膜污染发展的全过程进行了研究。通过实验与理论模型的研究结果，探究了MFC-MBR耦合系统减缓膜污染的机理。研究结果如下： （1）没有外加电场的情况下，2.5L/min的曝气强度使得系统运行至跨膜压差（TMP）超过30kPa的时间最长，相较0.5L/min的曝气量，将运行时间从15天延长至21天，且在两阶段TMP增长速率都为最低。在一定范围内（0.5L/min-2.5L/min），更高的曝气强度使得系统运行状况更佳。而在MFC-MBR耦合系统中，1.5L/min的曝气强度使得系统运行最佳。在耦合系统中，电场与曝气的协同作用较为复杂。在2.5L/min曝气强度下，出现了电场几乎不起作用，完全由曝气主导膜污染发展的情况。在MFC-MBR耦合系统中的最佳曝气强度应该由实验确定，分段设置曝气强度的方法可能使运行状况最优，并且可以降低能耗。 （2）在对经典的过滤模型进行改进，提出了针对MFC-MBR耦合系统的新模型以评估膜污染。良好的拟合结果表明，该组合模型可以预测MFC-MBR在应用中的膜污染。在该模型中，观察到两相膜污垢的发展，其中中间阻塞/完全阻塞是主要机制，随着时间的推移过渡到滤饼过滤机制。在两相膜污染的发展过程中，第一阶段的外加电场使得0.5L/min、1.5L/min条件下，将TMP的增长速率减少了23.3%和38.8%，显著减轻了污染，但在第二阶段很难观察到电场对污染的影响。 （3）利用构建的数学模型对膜污染的全过程进行研究。对过滤阻力的研究发现，电场通过减缓膜污染的积累速率来减缓膜污染，对最终的膜污染的积累量没有显著影响。对滤膜的可用面积的研究发现，本实验条件下，系统运行的转折点处的滤膜可用面积比（A/A0）值在0.60-0.88之间。结合已构建的模型，可以对转折点出现的时间范围作出预测。 （4）结合理论模型与实验结果，提出电场减缓膜污染发展的机理。主要作用于两方面：静电斥力减缓了膜污染在膜孔的堵塞，从而使可用膜面积能够在更长的时间内保持良好的水平；减少了滤饼在膜面的堆积，从而减少了过滤阻力的增长速率。而电场力在第二阶段失效的情形，主要是由于电场力不足以遏制“通量上升-泵抽吸作用增强-可用膜面积下降-通量进一步上升”的正反馈效应。
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