正渗透膜-光合生物电化学系统中污水碳氮磷同步去除及膜污染控制机理研究

Combination of membrane filtration and microalgae for wastewater treatment can achieve efficient removal of nitrogen and phosphorus, high concentration cultivation of microalgae and effective separation of microalgae and treated water, which is an energy efficient and environmental-friendly technology. However, the traditional membrane filtration driven by external pressure is still constrained by the high operation cost and severe membrane fouling. To mitigate the problems, we combine the forward osmosis, microalgae and bio-electrochemical system to construct a novel forward osmosis membrane photo-bioelectrochemical reactor, achieving simultaneous removal of carbon，nitrogen and phosphorus and membrane fouling mitigation. The synergistic metabolism of anode microorganism and microalgae in the system can effectively remove the pollutants and recover electricity energy which can used in situ for membrane fouling control. The key work in this research is the regulation and control of the coupling biological and electrochemical system. The main contents include the system construction, the enhancement of pollutants removal, membrane fouling control, optimization of the operating parameters and revealing the mechanisms of transport and transformation of the pollutants in the system. Identification and determination of the key membrane foulants, analyses of the foulant-membrane interfacial interaction and characterization of the cake layer morphology and structure will be carried out to reveal the mechanisms of membrane fouling mitigation under the electric field. This research will provide a new process and technology base for the removal and resource recovery of carbon，nitrogen and phosphorus in wastewater and control of the forward osmosis membrane fouling caused by algae.

将膜过滤技术与微藻污水处理技术结合能有效实现污水脱氮除磷、微藻高浓度培养和藻水高效分离，是资源回收和环境友好的污水处理技术。然而靠外压驱动的传统膜过滤技术存在运行成本高和膜污染严重的瓶颈问题。对此，本项目将低能耗的正渗透技术与微藻和生物电化学技术耦合，构建高效去除污水碳氮磷并有效控制膜污染的正渗透膜-光合生物电化学系统。该系统利用微藻和阳极微生物的协同作用，有效去除污水中的碳氮磷，同时将污水中化学能转化成电能并原位用于膜污染的控制。本项目以生物学和电化学的耦合调控为核心，围绕系统构建、污染物的强化去除和膜污染控制开展研究，优化系统的运行参数，揭示系统中污染物的迁移转化机制，结合关键膜污染物的识别与跟踪检测、污染物-膜界面作用解析和膜面污染层形态结构表征，深入探究电场作用下的藻源膜污染控制机理，为污水中碳氮磷去除与资源化以及正渗透膜藻源污染的控制提供新的处理工艺和技术基础。

含氮、磷污水过量排放引起的水体富营养化是当前备受关注的环境问题，水体富营养化问题的尖锐化迫使越来越多的国家和地区制定严格的氮磷排放标准，研发经济高效的脱氮除磷技术成为解决我国水污染问题的重要任务之一。本项目将低能耗的正渗透技术与微藻和生物电化学技术耦合，构建了集碳氮磷污染物高效去除、资源同步回收和膜污染有效控制于一体的新型正渗透膜-光合生物电化学（FO-PBE）系统。在系统的设计、参数优化、污染物强化去除和迁移转化机制、关键膜污染物识别与跟踪监测、膜污染控制机理解析等方面取得了相应的研究成果。FO-PBE系统中阳极材料表面富集的产电菌可以在降解有机物的同时回收电能，以1g/L葡萄糖为底物时，系统最大输出功率密度为125.7mW/m2。在光合反应池，微藻能够有效去除污水中的氮磷污染物，最终通过正渗透膜的截留作用实现系统的高质量出水。外电阻为10Ω时，系统对污水的TOC、氨氮、TN和TP的去除率分别为去90.1±2.9%、93.9±1.8%、91.3±2.1%和92.6±2.7%。通过对微藻性质的分析发现，FO-PBE系统中内电场作用能够刺激微藻的活性，促进微藻的生长，并提高微藻油脂含量，提升资源回收效率。通过考察膜通量变化情况发现，FO-PBE系统的稳定膜通量相比对照系统提高了47.41%，说明FO-PBE系统能够有效减缓膜污染的发生。通过分析微藻细胞表面特性、SMP和EPS浓度组成、关键污染物与膜表面之间的界面作用关系，揭示了FO-PBE系统的膜污染控制机理。本项目通过新型正渗透膜-光合生物电化学（FO-PBE）系统的设计与优化为污水中碳氮磷污染物的高效去除与资源化回收及原位利用提供了新的处理工艺，同时为正渗透膜污染的控制提供了新的思路和方向，积累了大量基础研究数据，并为实际应用奠定了基础。在本项目的支持下，共发表学术论文8篇，其中SCI/EI收录论文5篇，申请相关专利10件，其中7件专利获得授权，3件专利处于实质审查阶段。本项目研究期间培养硕士研究生4名。