電耦合膜生物反應器中膜污染控制的研究進展

曲立威，宋海亮，劉燕青，李嘉竹，李先寧,*

(1.東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京 210096；2.南京師范大學 環境學院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

膜生物反應器(MBR)將活性污泥工藝和膜過濾相結合，與傳統活性污泥技術相比，具有出水水質穩定、占地面積小、剩余污泥量少等優點，可以高效處理城市污水和工業廢水，近年來受到越來越多的關注[1]。然而，MBR的膜污染問題不僅影響出水水質還會縮短膜的使用壽命，增加MBR的運行成本，從而限制了MBR的廣泛應用。常見的膜污染控制技術有物理法、化學法和生物法[2-3]。近年來，由于電化學技術的經濟環保優勢，研究人員嘗試將MBR技術與電化學技術相耦合以控制膜污染。結果發現，這種耦合技術不僅可以顯著控制膜污染，還能高效處理廢水[4]。研究人員將導電膜同時用做分離膜和工作電極，提高電耦合膜生物反應器(EMBR)的電能利用率，簡化裝置構型，導電膜耦合EMBR通過電泳[5]、電氧化[6]、氣泡沖刷[7]等作用可以有效減緩膜污染并提高出水水質。傳統EMBR外加電場強度高、能耗大，而廢水中有機物本身含有大量可轉化為電能的能源。許多研究學者將微生物燃料電池(MFC)與MBR相結合，通過MFC自生電場有效控制膜污染[8-10]。

本文闡述了MBR膜污染的成因及影響因素，介紹了MBR與其他技術相結合的膜污染控制效果，重點分析了電化學控制膜污染的機理，論述了導電膜的應用進展，綜述了國內外MFC耦合MBR減緩膜污染的研究現狀，最后提出了EMBR的研究建議，以期為MBR膜污染控制方面提供理論和技術參考。

1 膜污染形成影響因素及控制技術

1.1 膜污染形成影響因素

MBR處理廢水的主要挑戰是膜污染，膜被污染后水通量下降、壓力損失增加、膜的清潔和更換頻率增加，這些運行問題會導致更高的能耗、藥耗和人工費，最終增加了MBR的運行和維護成本[11]。膜污染是指顆粒物、膠體、可溶性有機物、無機物、微生物細胞等沉積在膜的表面和孔隙，使得膜孔徑變小或者堵塞，從而造成膜通量降低和跨膜壓差(TMP)升高的現象。根據污垢成分對膜污染的相對貢獻，膜污染機制主要包括：(1)膠體顆粒的膜孔堵塞；(2)污泥絮體沉積在膜表面；(3)在膜表面形成濾餅層；(4)剪切力造成濾餅層脫落；(5)長期運行過程中濾餅層成分的時空變化(如濾餅層中細菌群落和生物聚合物成分的變化)[12]。膜污染是由膜和污泥混合液之間的相互作用引起的，所以與膜和污泥混合液相關的參數都會影響膜污染，主要影響參數有污泥混合液性質、膜自身性質和操作條件。污泥混合液性質、膜自身性質直接影響膜污染，操作條件通過影響污泥特性間接影響膜污染[13]。這些參數對膜污染的影響詳見表1。

表1 部分參數對膜污染的影響

1.1.1 污泥混合液性質

胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物產物(SMP)是目前廣泛認可的造成膜污染的主要物質，其生物降解性差，因此會在膜表面堆積，污泥中SMP、EPS濃度越高膜污染越嚴重[14-16]。混合液懸浮固體濃度(MLSS)對膜污染的影響尚無定論，可能是不利的、有利的或不受影響的[17-18]。Lin等[19]研究表明污泥粒徑越小越容易引起膜污染。膜生物反應器的膜污染過程中，膜表面會逐漸形成濾餅層，導致濾餅層過濾阻力增加，膜通量下降。濾餅層過濾阻力與污泥粒徑有關，粒徑越小，濾餅層孔隙率越小，阻力越大。

1.1.2 膜自身性質

膜的孔徑、表面粗糙度以及親/疏水性等膜自身特性也會影響膜污染程度。膜孔徑越大，活性污泥中的污染物越易進入膜孔內堵塞膜孔，且研究表明，膜孔徑越大，粒徑大小對膜污染的影響越不明顯[20]。膜表面粗糙程度越大，膜比表面積越大，污染物質越易沉積在膜表面造成膜污染[21]。親水性膜的特點是存在能夠與水形成氫鍵的活性基團，因此相較于疏水性膜，親水性膜具有更好的潤濕性。一般認為親水性膜抗污染能力更強[22-23]。

1.1.3 操作條件

影響膜污染的操作條件主要有水力停留時間(HRT)、溫度(T)、有機負荷率(OLR)、污泥停留時間(SRT)和水動力條件。在低溫或者較低的HRT沖擊下，微生物會產生更多的SMP和EPS以保護自己免受不利環境的影響，導致活性污泥中SMP與EPS濃度增加，從而加劇了膜污染[24-26]。目前的研究已經評估了SRT和OLR對MBR中膜污染的影響，但報告的結果相互矛盾。大量研究表明OLR與SMP和EPS濃度存在正相關關系，較高的有機負荷率容易造成膜污染。此外，當MLSS較低時，隨著OLR增高，微生物進入對數增長期，污泥松散不易形成菌膠團，容易堵塞膜孔隙，也會加劇膜污染[27-28]。然而Oghyanous等[29]研究表明，適當提高OLR可以減少膜的不可逆污染。隨著SRT的適當延長，MLSS增加，SMP濃度降低，膜污染有所緩解[11,29]。Huang等[30]研究表明，在最長SRT的條件下，MBR中MLSS和SMP濃度最高，這加速了濾餅層的形成。因此，MBR系統具有最優的SRT與HRT值。Qi等[31]研究轉速分別為60、120、180 r/min時膜污染的變化規律，研究發現低速攪拌時，污泥膨脹，凝膠層阻力的比例增加，膜污染更嚴重。

1.2 膜污染控制技術

研究人員利用膜污染控制技術恢復膜通量，主要包括物理、化學和生物法。物理法包括空氣沖刷[32]、反沖洗[33]、動態膜技術[34]、超聲清洗[35]等。化學法通過添加酸(如HCl)、堿(如NaOH)、氧化劑(如NaClO或H2O2)、絮凝劑等[36]改善污泥性質以控制膜污染。生物法[37-39]如群體淬滅(QQ)、酶促破壞和能量解偶聯在實驗室或中試規模的MBR中具有有效的生物污垢控制潛力。物理化學清洗具有操作簡便的優勢[40]，但物理化學清洗控制膜污染有一定局限性，很難完全恢復膜通量，需要利用化學清洗去除大部分污染物。化學清洗可能引起膜材料的物理結構和化學性質變化，從而影響膜的分離性能[41]。相對于傳統物理化學法，生物法控制膜污染更經濟可行，但詳細的膜污染控制機制仍不清楚，污泥中的功能微生物或化學物質不穩定，尚不清楚生物法是否可以替代傳統物理化學法。

近年來研究人員嘗試通過MBR耦合其他技術，以期提高出水水質，延緩膜污染。滲透膜生物反應器(OMBR)是一種涉及正向滲透(FO)膜和活性污泥的混合工藝。與傳統的MBR(CMBR)工藝相比，OMBR以滲透壓為驅動力，水自發地從低濃度原料液側通過膜到達高濃度汲取液側，可有效減緩膜污染、提高出水水質并降低能耗[42-43]。Phuntsho等[44]構建OMBR系統，使用35 g/L NaCl作為汲取溶液，OMBR具有較高的初始水通量(6.3 LMH)和有機物去除效率。此外，在OMBR系統運行33 d期間，膜污染得到有效緩解，膜通量下降速度緩慢。長期運行導致生物反應器鹽分的積累，改變了污泥特性，微生物活性下降，最終導致FO膜結垢加重[45]。Moser等[46]將超濾(UF)與OMBR相結合防止了生物反應器中鹽度的積累，雖然超濾膜污染增加，但FO膜在沒有化學清洗的情況下穩定運行超過215 d，有效減緩了膜污染。

移動床生物膜反應器(MBBR)是一種生物膜廢水處理技術，在曝氣池中添加自由漂浮的生物膜載體，旨在提高活性生物質濃度[47]。Luo等[48]研究發現，與CMBR相比，MBBR-MBR體系不僅可以通過生物降解有效去除大部分污染物，還能改變MBR中EPS和SMP的特性，最終有效減緩膜污染。Deng等[49]對比海綿改性生物載體的MBBR和傳統MBBR兩種技術對膜污染控制效果的差異，結果發現，前者不僅可以提高有機物的去除效率，還能改變污泥混合液性質，使污泥混合液中SMP中PN/PS增加，降低SMP濃度，進而降低濾餅層阻力，減緩膜污染。移動床生物膜反應器具有生物量高、運行穩定可靠、剩余污泥產量低、硝化速率高等優點，已成為增強傳統活性污泥工藝的另一種有前景的工藝。

2 電耦合膜生物反應器減緩膜污染機理

以上耦合技術在控制膜污染方面展現了可喜的成果。但近年來，研究人員發現電化學工藝減緩膜污染方面更具優勢。EMBR通過電化學過程可以增強磷和微污染物的去除效率，提高出水水質，還能高效控制膜污染[50]。相比于傳統物化法，EMBR膜污染控制效果好、無二次污染、成本低、出水水質好，是一種新興原位膜污染控制技術。EMBR電化學工藝減緩膜污染主要通過電滲、電泳、電氧化或者基于電化學的QQ協同控制污染物沉積于膜表面[51]。

2.1 電滲

如圖1(b)所示，在外部電場作用下，EMBR系統中液體進行的反向拖拽運動，即帶正電的液體向陰極運動即為電滲[52-53]。Ibeid等[54]構建浸沒式EMBR，在整個運行期間觀察到結合水量僅為6 g H2O/g TSS，而CMBR中結合水量為30 g H2O/g TSS，施加直流電有利于降低濾餅層的含水率，電滲機制可以去除微生物絮體雙電層中的結合水，從而降低污泥的過濾比阻，進一步控制膜污染。Liu等[55]研究發現電滲與電解質相關，無電解質時，膜通量沒有隨著電壓的增加而顯著變化，當電解質濃度增加到1 mmol/L時，分別施加10、30、50、70 V電壓，膜通量分別增加了0、6%、10%和8%。電解質的存在會引起電滲作用，從而增加膜的通透性，當電解質濃度進一步增加到0.005 mol/L時，過高的電解質濃度導致膜表面產生更多氣泡，氣泡可能會粘附在膜表面降低膜表面的液-液傳質面積，從而導致膜滲透性降低。

2.2 電泳

當濾膜與陰極距離較近時，陰極的強靜電排斥會阻礙微生物(污泥)和EPS(SMP)等帶負電荷的污染物在膜表面的沉積，難以形成致密的濾餅層，同時促進電活性生物膜的生長并抑制污染物在膜表面的粘附從而減輕膜污染，如圖1(c)所示。Jiang等[56]對EMBR施加0.8 V/cm場強，膜表面的結合EPS含量和PN/PS的降低表明污泥表面的負電荷增加，污泥表面疏水性降低，導致污泥與帶負電荷的膜之間的靜電斥力增加，易形成松散的濾餅層。Ding等[57]研究了不同電壓對減緩膜污染的影響，施加0～1.2 V外加電壓，隨著外加電壓的升高，EMBR反應器的膜污染速率逐漸減慢，膜污染周期可以從60 h延長到98 h，而COD去除率呈先升后降的趨勢，表明較高的電壓會破壞細胞膜，導致細胞生長和代謝減慢，從而對微生物降解過程產生負面影響。外加高電壓可以有效減緩膜污染，但能耗較高，且影響出水水質，因此需要綜合考慮反應器性能、膜污染控制和經濟成本等多種因素來選擇合理的外加電壓。

2.3 犧牲陽極電氧化-電絮凝

電絮凝指將低析氧電位材料(如Al/Fe)作為EMBR系統的犧牲陽極，通過陽極電氧化生成混凝劑破壞污染物穩定性，形成較大粒徑絮凝物，從而阻止污染物沉積于膜表面[58-59]，如圖1(d)所示。Ibeid等[60]證明電絮凝降低SMP中PN和PS含量，膜污染速率降低了4倍，此外，構建以懸浮物濃度和SMP為自變量的多元回歸模型可準確預測膜污染行為。高電流密度在單位時間內產生更多的混凝劑，從而增強了帶負電荷的污染物的聚集。Borea等[61]構建Al陽極EMBR，與CMBR相比，當電流密度分別為0.3、0.5、1.15 mA/cm2時，EMBR中污泥絮體的平均直徑分別從73.57 μm增加到80.35、91.39、100.64 μm，EMBR的膜污染率分別降低24%、44%和45%。研究表明，相較于Fe陽極，Al作為犧牲陽極時形成的絮狀物呈現出更高的極化度，形成的濾餅層孔隙更多，具有更好的膜污染控制性能[62]。電絮凝控制膜污染無需投加化學藥劑，減少了二次污染，具有較好膜污染控制性能，但電極使用壽命短限制了電絮凝技術的發展。

2.4 非犧牲陽極電氧化

高析氧電位材料為陽極時(如Ti、Pt)[63]，非犧牲陽極電氧化減緩膜污染包括直接氧化和間接氧化，如圖1(e)所示。直接氧化是指在低電勢條件下(低于析氧電勢)電子從有機污染物轉移至陽極表面。間接氧化是指在工作電位高于析氧電位時，陽極產生的活性氧(ROS)氧化陽極周圍的污染物，如強氧化劑(·OH)和一些中/弱氧化劑(H2O2和O3)[64-65]。此外，當陰離子如氯離子、磷酸根、硫酸根離子存在時，陰離子在陽極被氧化也可以生成氧化劑如活性氯、次氯酸、過硫酸根等，從而間接氧化陽極周圍的污染物[66]。Wang[67]等自制碳納米管(CNT)導電陶瓷膜，施加3 V電壓，原位產生次氯酸和次氯酸根離子等氧化劑，1 min近乎可完全恢復膜通量。雖然大部分電氧化反應是在陽極進行的，但在陰極通入氧氣或空氣時也可以生成H2O2，降解生物污垢(SMP和EPS)或使細菌失活，從而減少生物污垢[65,68]，如圖1(e)所示。Shi等[69]研究表明隨著電場強度從0上升到1.75 V/cm，陰極H2O2的產生量逐漸增加，在外加電場為1.75 V/cm時，H2O2的最高產量達到1.96 mg/L，同時，膜污染時長由85 h延長至190 h。非犧牲陽極電氧化減緩膜污染的同時可以增強污染物的去除效果。Chen等[50]構建了移動床電化學膜生物反應器(MEMBR)，石墨板陽極可以將H2O電解為·OH從而氧化磺胺甲惡唑，同時陰極可以產生H2O2進一步去除磺胺甲惡唑中間產物并減輕膜污染，與傳統移動床膜生物反應器相比，MEMBR的TMP增長率從1.72 kPa/d降到1.06 kPa/d。

2.5 基于電化學的QQ

QQ是一種有前景的膜生物污染控制策略，它可以抑制微生物群體的感應(QS)程度，中斷細菌之間的交流從而減少膜表面的濾餅層生物污染的形成[70]。QQ抑制QS方法包括[39]：(1)抑制信號分子的合成；(2)滅活或降解信號分子；(3)干擾信號受體；(4)增加QQ細菌的比例并抑制QS菌的活性。在EMBR中應用最多的QQ方法主要是滅活/降解信號分子[37]。MBR中主要針對生物污垢控制的信號分子是N-酰基高絲氨酸內酯(AHLs)和自體誘導物-2，其中N-己酰高絲氨酸內酯、N-辛酰基-L-高絲氨酸內酯(C8-HSL)和N-(3-辛酰基)-L-高絲氨酸內酯被證明是導致膜生物污染的三種主要QS的信號物質[71]。

基于電化學的QQ是指通過電化學產生ROS降解信號分子(如AHL)從而抑制膜表面生物膜的生長[72-73]，如圖1(f)所示。Borea等[74]構建EMBR去除難降解有機物，結果發現阿特拉津和雌酮的去除效率均提高了36%，同時發現C8-HSL信號分子減少了76%，膜污染速率從2.95 kPa/d 下降到0.75 kPa/d，降低了74.65%。隨著電壓的升高，AHL被H2O2降解，膜表面生物聚合物降解屬富集，生物膜形成屬減少，從而降低了EPS含量并減緩了膜污染[75]。

3 應用導電膜控制膜污染研究進展

簡化EMBR工藝的一種有效方法是使用導電膜[76]。研究人員發現將導電膜作為電化學系統的陽極和/或陰極，不僅可以大大簡化裝置結構，提高電能利用效率，還能顯著控制膜污染。因此制備具有良好過濾性能及導電效果的微濾膜并將其用于MBR污水處理系統，具有較為重要的理論和應用研究價值。研究發現給MBR導電膜施加直流電(DC)與交流電(AC)均可有效控制膜污染。

3.1 導電膜的制備

根據導電膜的制備材料，可將其分為無機導電膜和有機導電膜。與無機導電膜相比，有機導電膜材料成本更低、制備工藝簡單多樣且材料來源廣，在實際應用中占據絕對優勢。導電膜的制備方法主要包括表面改性法和共混法，常用的導電材料有導電高分子聚合物(聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等)、碳材料(CNT、石墨烯等)和金屬等[77]。

表面改性法制備導電膜在有機膜材料(PVDF、醋酸纖維素、聚砜、聚乙烯等)的基礎上原位聚合導電材料。Yuan等[78]將FeCl3溶液涂覆在PVDF膜面，然后采用氣相聚合法將3,4-亞乙基二氧噻吩負載到膜表面，制備高導電性濾膜(薄層電阻14.7 kΩ)。Hashaikeh等[7]采用真空過濾法將多壁碳納米管(MWCNTs)涂覆到PVDF表面，制備了電導率為10 S/cm的高導電性MWCNTs-PVDF導電膜。

共混法制備導電微濾膜是將導電材料摻入于鑄膜液中，通過相轉化法制備。Li等[79]將碳納米顆粒和還原Pd2+、Co2+、Fe3+、氧化石墨烯形成的催化劑添加到聚偏氟乙烯(PVDF)鑄膜液中，并用刮刀將溶液澆鑄在碳纖維布上，開發了一種具有高滲透率(5.98×104LMH/bar)和高電導率(15.2×10-2S/cm)的復合膜。Xing[80]等在室溫下將PVDF與離子液體(IL)1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽進行熔融共混，成功獲得了一種具有優異延展性、高透光率、良好抗靜電性能的PVDF/IL導電膜。由于共混法中絕緣材料限制了膜的導電性，而表面改性技術可能會在膜的長期運行中導致導電材料脫落[81]，因此考慮表面改性法與共混法的結合應用，為制備耐用且導電性良好的導電膜提供新的思路。

3.2 外加DC控制膜污染

3.2.1 導電膜做陰極

研究發現導電膜做陰極時，給導電膜施加DC，電泳作用可以抑制電負性的EPS、SMP沉積在膜表面。Cao等[82]通過在碳膜上電沉積Pd制備了陰極Pd/C導電膜，在1.6 V的直流電壓輔助下實現了苯酚及其中間體的有效降解，并提高了膜的防污性能。Wang等[5]自制改性聚苯胺導電膜，相比于對照組，施加2 V外加電壓的膜材料的污染物與膜之間的靜電排斥力明顯增強，導致污垢層更松散，減緩了膜通量的衰減。此外，氫離子在陰極表面發生還原反應生成H2，H2的沖刷作用可以原位清洗沉積在膜表面的污垢。Hashaikeh等[7]制備了CNT-PVDF導電膜作為電化學系統的陰極，通過恒電位儀給陰極導電膜穩定施加2 V電壓，探索陰極濾膜過濾酵母溶液和碳酸鈣溶液時的防污性能，結果發現，外加電場可以促進膜表面形成微氣泡，促使膜通量恢復率高達80%。

3.2.2 導電膜做陽極

導電膜做陽極時，電化學氧化有助于污染物的降解并去除膜表面甚至膜孔深處的污垢，同時抑制生物膜的形成[83]。Fan等[6]自制CNT-Al2O3陽極導電膜，相比于對照組，施加1.5 V電壓后腐殖酸的去除率和膜滲透通量分別增加3倍和1.6倍。Yu等[84]在AnMBR中使用CNT膜作為陽極來防止膜污染。由于靜電粘附，在陽極膜反應器的初始階段膜污染加劇，通過陽極氧化分解濾餅層中過量的EPS，陽極膜上的濾餅層變薄，并將污垢轉化為網狀動態生物過濾器，最終陽極膜上的污垢生長和分解達到了動態平衡，導電膜達到了永不堵塞的運行狀態。

3.3 外加AC控制膜污染

研究發現給導電膜施加AC時，正負電的交替轉化可結合導電膜單獨做陰極或陽極的優勢進而控制膜污染。當AC極化電極時，明顯伴隨著靜電分離、電氧化和細菌失活。Thamaraiselvan等[85]對CNT導電膜施加極化電流，研究發現直接氧化和靜電排斥作用協同控制膜污染，并且該研究人員發現，相比于給導電膜施加DC，AC展現出優異的抗生物污染能力。Lannoy等[86]對CNT-聚醚砜納米導電膜施加低頻AC(1.5 V方波，16.7 mHz)可以在長期運行中抑制生物膜的形成，相比于對照系統，膜通量下降速率降低了3倍。Zhang等[87]以120 s為周期對CNT-中空纖維導電膜施加AC(+1.0 V/-1.2 V，方波)探索該膜的防污性能，結果發現導電膜的平均膜污染速率為1.7 kPa/d，低于陰極DC-MBR(2.1 kPa/d)、陽極DC-EMBR(2.5 kPa/d)和CMBR(2.9 kPa/d)，并發現施加AC的膜不可逆污染低于施加DC的膜和不加電場的膜。

EMBR體系可以有效減緩膜污染，但外加電場需要外部供電設施、能耗高甚至會導致細菌失活[88]。因此，無需額外電能消耗和復雜的電力設施就可高效控制膜污染的自生電場，近年來受到研究人員的青睞。

4 自生電場控制膜污染研究進展

MFC能利用電活性微生物氧化污水中的有機物，從廢水中直接獲取電能并自生電場，減少了處理污水時的能耗，是一種清潔能源技術和新興可持續發展的污水處理技術[89]。研究表明MFC產生的微電場可以滿足MBR系統去除膜污染所需的電場強度，其電場強度可通過調整外接電阻來改變[90-91]。因此，研究人員嘗試構建自生電場MFC-MBR裝置，MFC-MBR耦合系統，這不僅為膜污染控制提供了新的選擇，而且還有助于MFC的規模化和實際應用，是一項具有前景的新型廢水處理技術。

MFC-MBR主要通過自生電場改變污泥特性從而減緩膜污染。Tian[92]等將中空纖維膜生物反應器與MFC相耦合，與C-MBR相比，MFC-MBR膜污染速率降低了56%，在低電流的長期作用下，MFC-MBR中的污泥絮體更均勻，絲狀細菌更少，污泥中LB-EPS減少，SMP中PN/PS增加。Li等[8]研究表明MFC-MBR中污泥絮體表現出較低的疏水性和較少的表面負電荷，根據擴展的DLVO分析，在MFC-MBR中觀察到污泥中SMP與清潔膜或SMP污染膜之間的粘附自由能降低。當接近干凈的膜或SMP污染的膜時，MFC-MBR中的SMP必須克服比C-MBR中更高的能量障礙，MFC-MBR中SMP在膜表面的吸附受到抑制，該研究證實MFC-MBR可以降低污泥絮體的污染潛力。Wang等[93]研究了MLSS濃度對膜污染的影響，結果表明，MFC在低有機負荷階段(0.59 kg COD/(m3·d))膜污染加劇，而在高有機負荷階段(2.00 kg COD/(m3·d))對有機物降解起積極作用，耦合系統在生物電場的作用下可顯著抑制SMP和LB-EPS粘附于膜表面，進而減緩膜污染，MFC-MBR依賴于陽極微生物氧化有機物產生電能抑制膜污染，所以MFC-MBR緩解膜污染需要在同時滿足MFC和MBR需求的系統能量的情況下才能實現。為了進一步提高MFC-MBR系統減緩膜污染的能力，需要通過改善操作條件來提高發電，以便投入實際應用。Li等[94]將顆粒活性炭(GAC)應用于MFC-MBR陰極室中，流化態的GAC可能與陰極接觸從而充當陰極電極的一部分，GAC的存在使MFC-MBR產生的電流密度從200.3 A/m3提高到256.0 A/m3；GAC的大表面積促進了生物膜的形成，從而減少了生物污垢附著在膜表面上，此外，流化GAC對膜表面的物理磨損可去除污垢，有助于緩解膜污染問題。

也有研究人員將導電膜應用于MFC-MBR中，導電膜作為MBR濾膜的同時還作為MFC的陰極，導電膜耦合MFC-MBR示意圖如圖2所示，厭氧條件下，陽極表面產電菌氧化有機物釋放電子和質子，質子穿過質子交換膜到達陰極導電膜，電子通過外電路傳輸到陰極導電膜，陰極室中的氧化物質(如氧氣、鐵氰化物和過氧化氫)與電子和質子發生還原反應，自生電場控制膜污染。導電膜耦合MFC-MBR主要通過靜電排斥作用減緩膜污染。Huang等[10]采用浸漬-沉淀相轉化的方法制備了還原氧化石墨烯(RGO)改性的陰極導電平板微濾膜，反應器中帶負電的細菌(或污泥)與陰極膜之間存在靜電排斥力，有利于減緩生物污染。此外，RGO提高了濾膜的親水性，減弱了污染物與膜之間的相互作用，進一步減輕了膜的不可逆污染。研究表明，當陰極導電膜表面產生H2O2或·OH時，原位清潔作用也可以協同控制膜污染。Xu等[95]將制備的聚吡咯/蒽醌-二磺酸鹽導電膜作為雙室MFC的陰極，通過MFC自生電場產生的靜電斥力阻止污染物沉積于膜表面，同時利用陰極產生的H2O2和·OH氧化膜表面或者膜孔中的污染物，有效減緩膜污染。

圖2 導電膜耦合MFC-MBR示意圖Fig.2 Schematic diagram of conductivemembrane coupling MFC-MBR

5 結論與展望

本文介紹了減緩膜污染的常用方法，并介紹了其他工藝耦合MBR減緩膜污染的工藝，其中電化學過程與MBR耦合的EMBR系統可以在不影響出水水質的情況下，通過電化學作用(電滲、電泳、電氧化、基于電化學的QQ)有效減緩膜污染。導電膜的應用大大優化了EMBR結構，外加電場直接應用于MBR會導致高能耗，并可能對細菌活性產生負面影響，同時增加能源消耗。自生電場的MFC-MBR工藝的耦合將會在廢水處理的可持續發展中發揮重要作用。

EMBR是一種新興的廢水處理工藝，可在有效處理廢水的同時控制膜污染，但其研究大多停留在實驗室規模，需要大量的研究工作來擴大EMBR技術的規模。綜合國內外相關研究與應用的態勢，筆者認為，為了進一步優化耦合系統，還需要進一步研究以下幾個方面：(1)制備導電性強并且耐用的導電膜應用于EMBR系統中，以優化EMBR系統；(2)交流電的減緩效果優于直流電，但仍需要深入研究其減緩機理；(3)為了增強耦合系統在不利條件下的適應性，應進一步探索耦合系統對難降解有機廢水的應用效果；(4)MFC在長期運行中很難保持穩定的電能輸出，提高MFC-MBR系統的產電能力對于其實際應用具有重要意義。隨著EMBR耦合技術的發展，EMBR系統有望在未來作為新型污水處理技術在工業領域得到推廣和應用。