电化学强化导电碳纳米管中空纤维膜在厌氧MBR中的抗污染性能研究

Membrane fouling is one of the key problems of anaerobic membrane bioreactors (AnMBR). Novel carbon nanotube hollow fiber membranes have very high water flux and inherent electric conductivity. With the electrostatic repulsion against extracellular polymeric substance and the assistance of electrochemistry, it will greatly mitigate membrane fouling levels and drastically extend the operational period of AnMBR. In this research, we put forward an idea that utilize the carbon nanotube hollow fiber membrane (CNT-HFM) as the separation core of AnMBR to construct a novel CNT-HFM AnMBR. The main contents include: (1) study the effects of different pollutants on the anti-fouling characteristics of CNT-HFM, especially the role of extracellular polymeric substances; (2) explore the effects and mechanisms of electrochemical assistance on the anti-fouling characteristics of CNT-HFM. Generally, we hope to recognize the technical anti-fouling characteristics and principles of CNT-HFM, to elucidate the mechanisms of the integrated electricity and membrane, and to provide the scientific supports for the application of this novel technique for the advanced wastewater treatment.

厌氧膜生物反应器中，由微生物胞外聚合物形成的膜污染问题严重缩短膜组件的运行周期，制约该工艺的应用和发展。新型碳纳米管中空纤维膜具有较高的通量和导电性能，同时与电化学作用耦合，通过与胞外聚合物之间的静电相斥作用，可大幅度减轻厌氧膜生物反应器中膜材料的膜污染程度。本研究应用自主研发的碳纳米管中空纤维膜构建厌氧膜生物反应器，提出辅以电化学作用，利用针对胞外聚合物的静电相斥作用缓解膜污染，延长厌氧膜生物反应器运行周期的新思路。主要研究内容包括：在短期、长期运行条件下，不同类型污染物在碳纳米管中空纤维膜表面形成膜污染的规律探索；电化学辅助作用对于碳纳米管中空纤维膜在厌氧膜生物反应器内抗污染性能的影响规律及其机理解析。通过本研究，旨在认识碳纳米管中空纤维膜在厌氧膜生物反应器内的抗污染特性，阐明电、膜之间协同抗污染作用机理，为该技术的应用提供理论基础和支持，为废水的资源化利用提供一种新型的可实用化技术。

本项目以电化学强化碳纳米管中空纤维膜(CHFMs)为基本的膜分离单元，构建了电化学强化的膜生物反应器，探究电化学技术对膜污染的控制效果。研究发现负偏压强化CHFMs可排斥带有负电的污染物，以-1.2 V偏电压强化CHFMs进行的过滤实验中，电化学强化CHFMs对BSA、SA和SAB的截留效率分别为92.1%、87.3%和56.8%，是不加电情况下的3.3、1.4和1.5倍，在以CHFMs为基本分离单元的电化学强化的厌氧膜生物反应器(AnEMBR)内，与对照组(以PVDF-HFMs为膜分离单元)相比，跨膜压差(TMP)增长速率更低，水力清洗后膜的通量恢复率更高。同时，AnEMBR对COD的去除效率高于95%，CH4的产量比对照组提高了111.12 mL/gVSS·d。正偏压可直接氧化去除沉积在分离膜表面及内部的污染物，以+1.0 V偏电压强化CHFMs进行的过滤实验中，电化学强化CHFMs对BSA、葡萄糖和苯酚的去除效率分别是不加电情况下的2.7、2和12倍，同时膜的通量损失率更低。电化学强化的好氧膜生物反应器(EMBR)对COD和NH4+-N去除率分别高于88%和80%。在整个周期中，EMBR中CHFMs仅进行了一次水力清洗恢复，TMP可恢复至初始水平。而以PVDF-HFMs和不加电CHFMs为分离单元的MBRs中，需要进行5次和4次的水力清洗。而在Fe2+存在条件下，通过在多孔碳-碳纳米管中空纤维膜上施加负偏压可原位产生羟基自由基(•OH)。•OH更高效地氧化去除了污染物，提高膜污染的控制效果。在-0.8 V偏电压条件下，PC-CHFMs对BSA、葡萄糖和苯酚的去除效率是不加电情况下的2.7、6.2和9.7倍，同时膜的通量损失率更低。在电芬顿强化的好氧膜生物反应器(E-Fenton-MBR)内，依靠•OH对污染物的高效氧化去除， PC-CHFMs的通量恢复率为100%。此外，E-Fenton-MBR对COD和NH4+-N的去除率分别高于93%和88%。上述结果表明，电芬顿强化的膜分离可实现在较低电压(-0.8 V)下污染物的高效去除，显著增强分离膜的抗污染能力。综上所述，电化学作用增强了膜的抗污能力，本研究为电化学强化膜分离系统在污水处理、甲烷回收、膜污染控制方面的实际应用奠定了理论基础。