电化学强化污泥厌氧动态膜生物反应器：分子互作与微生物机制解析

本研究针对厌氧动态膜生物反应器（AnDMBR）中膜污染控制与污泥消化效率提升的难题，通过构建电化学辅助系统（EC-AnDMBR），系统探究了阶梯电压（0.5-1.5 V）对膜污染抑制、质子耦合电子转移（PCET）通路激活及微生物群落调控的作用机制。研究发现，提高电压使污泥-膜相互作用能垒提升42.6%，动态膜结构疏松化，挥发性固体降解率与沼气产量显著提高。分子模拟揭示溶解性有机物（DOM）中酰胺/醌基团富集及氢键/π-阳离子相互作用增强，为PCET过程提供分子基础。该研究为发展高效可持续污泥处理技术提供了多尺度理论支撑。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂产生的废弃活性污泥（Waste Activated Sludge, WAS）已成为环境治理的棘手难题。这种富含有机物、重金属和病原体的粘稠物质，若处理不当将引发严重的二次污染。传统厌氧消化技术虽能实现污泥减量与能源回收，但普遍面临两大瓶颈：膜组件易被污泥颗粒堵塞（膜污染），以及有机物转化效率低下。近年来，动态膜生物反应器（AnDMBR）通过让污泥在粗孔支撑材料上自主形成过滤层（动态膜），展现出良好的抗污染潜力，但如何进一步提升其消化效能仍是领域内关注的焦点。

为解决这一挑战，同济大学的研究团队创新性地将电化学系统与传统AnDMBR结合，构建了电化学厌氧动态膜生物反应器（EC-AnDMBR）。通过长达数月的实验，研究人员发现施加阶梯式升高的电压（0.5 V→1.0 V→1.5 V）能显著改善系统性能：膜污染速率降低50%以上，挥发性固体降解率提升38%，沼气日产量增加近1倍。这些突破性成果发表于环境领域顶级期刊《Water Research》，为污泥处理技术升级提供了全新思路。

研究团队采用多学科交叉技术路线：通过XDLVO（扩展的DLVO理论）定量分析污泥-膜界面作用能垒；利用电化学工作站测定污泥导电性与内阻变化；结合氢/氘动力学同位素效应（KIE）验证PCET通路活性；采用分子动力学模拟解析DOM分子构型；基于高通量测序和网络分析揭示微生物群落组装规律。

阶梯电压对长期运行性能的影响
跨膜压力（TMP）监测显示，1.5 V电压下膜污染速率较对照组降低52.3%。激光共聚焦显微镜观察到动态膜中β-多糖含量减少61%，且形成多孔结构。XDLVO计算表明，高电压使污泥-膜相互作用能垒从4.7 kT升至6.7 kT，有效抑制污垢沉积。

电化学特性与分子机制
电化学阻抗谱显示1.5 V时污泥电导率提升3.2倍，内阻降低68%。KIE值从616飙升至25990，证实PCET通路被强烈激活。分子模拟发现DOM中酰胺基含量增加2.1倍，醌基团通过π-阳离子作用形成电子传递网络。

微生物群落响应
确定性过程对群落组装的贡献率从35%增至72%，上游菌群迁移减少41%。mcrA（甲烷生成关键酶）基因表达量提升4.8倍，与PCET相关的氢化酶基因显著上调。

这项研究首次从分子相互作用-电化学特性-微生物生态多维度，阐明了电场强化AnDMBR的作用机制。其创新性体现在三方面：（1）发现电压调控DOM分子构象的新规律，提出醌基介导的电子穿梭模型；（2）建立PCET通路上游激发与下游甲烷生成的定量关联；（3）揭示电场对微生物群落组装的筛选效应。该技术路线无需添加化学药剂，仅通过优化电场参数即可同步实现膜污染控制与消化效能提升，为发展"双碳"目标下的绿色污泥处理工艺提供了理论基石。未来研究可进一步探索DOM分子指纹与PCET活性的构效关系，以及不同污泥特性下的最佳电压调控策略。