电化学氧化耦合膜生物反应器(IMBR)去除污染物的动力学模型验证与热力学参数探索

研究人员针对膜生物反应器(MBR)膜污染导致的性能下降问题，创新性地将电化学氧化(EO)工艺与MBR耦合，开发了集成膜生物反应器(IMBR)系统。通过优化电流密度(0.748 A·cm-2)，实现了总有机碳(TOC)和化学需氧量(COD)去除率>90%，总溶解固体(TDS)去除率60%。扫描电镜(SEM)显示膜孔收缩减少，渗透通量提升45%，反冲洗时间延长至140分钟。研究采用Hermia模型、集总参数动力学模型和热力学参数分析验证了膜污染机制，活化能为52.428 kJ/mol。该技术为工业废水处理提供了高效可靠的解决方案。

　　

水资源短缺和污染是当前全球面临的重大环境挑战，制药废水中的持久性有机污染物和重金属更是传统处理技术的"顽疾"。常规膜生物反应器(MBR)虽能有效截留有机分子，但膜污染导致的通量下降和频繁反冲洗严重制约其应用效率。更棘手的是，随着医药产业发展，废水中的活性药物成分(API)和造影剂等难降解物质不断增多，现有技术难以满足日益严格的排放标准。

针对这一难题，来自印度Alathur工业区的研究团队创新性地将电化学氧化(EO)与MBR工艺耦合，开发了集成膜生物反应器(IMBR)系统。这项发表在《Total Environment Engineering》的研究通过多角度验证表明，该技术不仅能高效降解污染物，还可显著缓解膜污染问题，为工业废水处理提供了新思路。

研究采用50升中试装置，整合了Ti/IrO₂-RuO₂阳极、不锈钢阴极的电化学系统和PVDF膜组件。关键技术包括：1)从制药厂采集实际废水进行特性分析；2)优化电流密度(0.748 A·cm^-2)和pH(6.5)等关键参数；3)采用SEM观察膜污染形貌；4)应用Hermia模型分析污染机制；5)建立集总参数动力学模型(LKM)验证降解过程；6)通过热力学参数评估反应可行性。

【Effect of pH和CD & ASP Performance】研究发现pH 6.5时COD去除率达90%，最佳电流密度下TOC降解效率显著提升。活性污泥过程(ASP)中混合液悬浮固体(MLSS)浓度维持在6-9 g/L，氧化还原电位(ORP)监测证实反应器内保持好氧条件。

【Instrumental Analysis】FT-IR和紫外光谱显示IMBR处理后废水透光率提升93.6%，1950 cm^-1处特征峰消失表明有机物有效降解。循环伏安测试证实电化学氧化导致污染物不可逆转化。

【SEM Analysis】电镜图像直观显示：传统MBR处理膜表面形成致密生物膜，而IMBR处理膜污染物沉积显著减少，形成的可逆滤饼层反而增强过滤效率。

【Permeate flux Analysis】在400 kPa操作压力下，IMBR系统渗透通量比传统MBR提高45%，反冲洗间隔延长至110分钟，证明耦合工艺能有效缓解膜污染。

【Fouling Mechanism】Hermia模型分析表明，完全阻塞和中间阻塞模型的标准误差最低(0.00459和0.00508)，说明电化学预处理可减少不可逆污染。

【LKM和Thermodynamic Parameter】动力学模型显示反应速率常数随温度升高而增大(0.007-0.015 min^-1)，活化能为52.428 kJ/mol。热力学参数证实反应为吸热过程(ΔH=58.296 kJ/mol)，虽需能量输入但具有热力学可行性。

这项研究通过多角度验证了IMBR系统的优越性：电化学预处理改变污泥絮体结构，既提高污染物降解效率，又缓解膜污染；集总参数模型和热力学分析为工艺放大提供理论依据；SEM等表征手段直观展示膜污染缓解机制。特别值得注意的是，该技术对含难降解有机物(如API)的工业废水表现出独特优势，电流密度优化和热力学参数测定等系统性工作，为同类研究提供了重要参考。研究团队建议未来可探索低成本电极材料和延长ASP停留时间等优化方向，这些发现对推动工业废水处理技术革新具有重要意义。