间歇性高压原位电清洗技术在厌氧膜生物反应器中的抗污染机制与性能优化研究

为解决厌氧膜生物反应器(AnMBR)膜污染严重、频繁离线化学清洗导致的运维成本高问题，研究人员开发了电化学AnMBR(eAnMBR)系统，采用间歇性6V电压原位清洗膜组件。结果表明：阴极电清洗通过溶解腐殖酸(HA)降低膜孔内胞外聚合物(EPS)含量，使跨膜压差(TMP)降低66.7%；阳极电清洗通过氧化作用改变HA和类蛋白物质吸附特性，TMP降低34.4%。该技术为电生物反应器推广应用提供了新思路。

　　

随着全球对可持续发展目标(SDGs)的追求，污水处理正朝着绿色节能、空间集约的方向转型。厌氧膜生物反应器(AnMBR)因其能源可回收性、高效性和紧凑设计，被视为高负荷废水(如畜禽废水)资源化处理的理想选择。然而，严重的膜污染问题导致频繁的离线化学清洗，不仅增加维护成本，更制约了AnMBR的规模化应用。传统清洗方法存在化学药剂残留、微生物活性抑制等缺陷，如何实现高效原位清洗成为突破技术瓶颈的关键。

针对这一挑战，中国科学院的研究团队创新性地将电化学清洗技术整合到AnMBR系统中，开发出电化学AnMBR(eAnMBR)。研究采用间歇性高压(6V)脉冲对导电膜电极进行原位清洗，在183天的实验周期内系统评估了不同电清洗模式的效果。关键技术包括：建立四组平行反应器对比系统(eAnMBR-EF、传统AnMBR等)，采用跨膜压差(TMP)实时监测膜污染程度，通过飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)分析膜表面组分变化，结合16S rRNA测序解析微生物群落响应规律。

【Anti-fouling Performance of In-situ Electrochemical Cleaning】
阴极电清洗展现出最强的抗污染能力，通过电化学还原反应将腐殖酸(HA)分解为小分子物质，显著降低膜孔内胞外聚合物(EPS)含量，使TMP较传统AnMBR降低66.7%。阳极清洗则通过氧化作用改变HA和类蛋白物质的吸附特性，TMP降幅达34.4%。时序优化实验表明，采用2.5分钟/30分钟的高频短周期清洗模式效果最佳。

【Microbial Community Evolution】
电化学处理显著影响微生物群落结构：施加6V电压导致产甲烷古菌Methanosaeta和水解菌Brooklawnia丰度下降，初期抑制了水解酸化过程。通过优化清洗参数，酸化菌活性得以恢复，并促进直接种间电子传递(DIET)过程，这从电子转移通量提升35%得到验证。

研究结论表明，间歇性高压电清洗技术成功解决了AnMBR膜污染控制难题：阴极清洗对EPS引起的不可逆孔堵塞去除效果最佳，阳极清洗则有效控制有机污染。该技术突破传统清洗方法局限，在保持厌氧消化性能的同时，将清洗能耗控制在0.08kWh/m³以下。更重要的是，通过调控清洗周期恢复了关键微生物功能，为电-生物协同系统的优化设计提供了理论依据。

这项发表于《Journal of Membrane Science》的研究具有双重意义：工程层面，开发的操作参数(6V, 2.5min/30min)可直接指导eAnMBR工程化应用；科学层面，揭示了电化学刺激下微生物代谢网络的重构机制。研究获得国家杰出青年科学基金(52125003)等支持，为废水处理领域实现"能源自给型"工厂提供了创新范例。