《Journal of Water Process Engineering》：Intermittent media fluidization and voltage supply for fouling control and energy recovery in an electrochemical anaerobic fluidized bed membrane bioreactor treating greywater
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•通过间歇性控制流态化和电压供应，降低了E-AFMBR的运行能耗。•每隔1分钟施加1分钟的电压，可在不降低处理效果的前提下提高甲烷产量。•在E-AFMBR中，间歇性供电与连续供电的污染速率并无显著差异。•间歇性电压有助于微生物间协同进行电子传递，从而提升CH4生成效率。•通过缩短
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通过间歇性控制流态化和电压供应，降低了E-AFMBR的运行能耗。
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每隔1分钟施加1分钟的电压，可在不降低处理效果的前提下提高甲烷产量。
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在E-AFMBR中，间歇性供电与连续供电的污染速率并无显著差异。
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间歇性电压有助于微生物间协同进行电子传递，从而提升CH4生成效率。
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通过缩短外部电压和流态化的持续时间，实现了1112%的能源平衡。
引言
分散式废水处理系统是一种可持续的废水管理方式，但需要具备灵活可调节的反应器设计[1]、[2]。此外，此类系统还需相应的运行策略，以便在较低能耗的情况下保持高效的污染物去除效果[3]、[4]、[5]。由于灰水是分散式废水处理系统的主要处理对象，人们开始越来越关注厌氧膜生物反应器，希望从中获取生物能源。厌氧膜生物反应器不仅能产出高质量的处理水，还能以甲烷的形式产生可再生能源。与好氧膜生物反应器相比，厌氧膜生物反应器在处理灰水等城市废水时产生的生物固体量少约25%，因此也能降低生物固体的处理成本[6]、[7]。
厌氧流化床膜生物反应器是一种混合型的厌氧膜生物反应器，它结合了厌氧流化床生物反应器和浸没式膜过滤技术[8]。在这种反应器中，颗粒活性炭等生物载体通过循环悬浮液在膜表面流动，从而为微生物提供更大的附着面积，同时借助机械冲刷作用清洁膜面。由于颗粒活性炭具有较大的比表面积和导电性，长期以来一直是最常用的生物载体，特别适合微生物附着和生物膜的形成[8]、[9]。然而，在长时间流态化过程中，颗粒之间的持续碰撞会导致颗粒活性炭破碎，这些细小颗粒可能成为二次污染的来源[10]、[11]。相比之下，聚对苯二甲酸乙二醇酯珠粒由于表面光滑，生物膜生长较为受限，但其较高的机械强度使其在长期运行中不易破碎[11]。因此，当流化介质主要用作膜清洁的机械冲刷剂而非生物膜生长的支撑物时，聚对苯二甲酸乙二醇酯珠粒是最佳选择。
在AFMBR型系统中，控制膜污染主要采用两种方法，这两种方法在能耗方面存在差异。第一种方法是利用沼气喷射在膜表面产生流体动力剪切力。虽然这种方法效果不错，但能耗极高。在采用相同结构的沼气喷射型AFMBR中，仅沼气喷射这一项就消耗了0.891千瓦时/立方米，占总运行能耗的99.7%[12]。第二种方法则是将颗粒活性炭流态化，并采用分级处理结构，即先让上游的厌氧流化床生物反应器去除大部分有机物质，再由下游的AFMBR进行处理，从而减轻膜所承受的悬浮液压力。这种方案大大降低了污染控制所需的能耗，仅AFMBR阶段就仅需0.028千瓦时/立方米，而两级系统则需0.058千瓦时/立方米[8]。后续研究显示，分级厌氧流化床膜生物反应器的整体能耗约为0.047千瓦时/立方米[13]，这一数值比沼气喷射法的能耗低一个数量级以上。
然而，即便采用了流态化技术，此前的实验室和中试研究仍表明，大部分运行能耗（超过95%）仍用于将生物载体均匀分布在整个膜表面[11]、[13]、[14]、[15]。如此高的能耗使得AFMBR的能源平衡——即运行过程中产生的能量与消耗的能量之比——中消耗部分的数值一直处于较低水平。在能量产出方面，由于厌氧灰水处理过程中微生物间的协同转化作用不够充分，甲烷产量往往受到限制；而生物载体的破碎又会进一步破坏微生物群落的结构，进而降低甲烷产量[11]。这两方面因素共同作用，使得AFMBR的能源平衡更加不佳。
为克服AFMBR的技术缺陷，人们提出了电化学AFMBR这一解决方案[15]。电化学AFMBR可以通过电化学方式转化灰水中难以降解的化合物（如表面活性剂），或者培育能够参与电极相关反应的 electroactive微生物，从而提高生物甲烷的转化效率[16]、[17]、[18]、[19]。此外，将外部电压与流态化技术结合使用，可以同时减少膜表面的外部污染和内部孔隙的污染[8]、[20]。不过，长期运行过程中持续施加外部电压会加剧电极极化现象。此外，高电流密度下过量的氢气生成会加剧微生物间的竞争，进而抑制甲烷生成活性[15]、[21]。
在本研究中，我们试图通过结合间歇性流态化和外部电压应用，制定出能够提升E-AFMBR能源平衡的运行策略，同时探究这类运行模式对合成灰水处理过程中甲烷产量和污染控制的影响。由于流态化占据了运行能耗的大部分，间歇性流态化虽能大幅降低能耗，但过短的流态化时间也会减少微生物与底物接触的机会，进而降低甲烷产量，这就形成了能耗与能量产出之间的权衡，而这一权衡最终决定了系统的能源平衡。因此我们推测，流态化的工作周期是决定能源平衡的关键因素，而电压供应的时间控制则主要通过调控电子传递路径来提升能量产出，避免在连续供电情况下电子单向流向阳极，而是引导电子参与微生物间的协同电子传递以及电养型甲烷生成过程。与此同时，我们还研究了电压变化对颗粒大小和表面电荷的影响，以及这些变化如何改变滤饼层结构及其被介质冲刷清除的难易程度，从而将电化学条件与物理污染现象联系起来。通过长期运行监测，我们分析了反应器效率及其中微生物群落的变化情况，进而全面了解了如何提升E-AFMBR系统的能源自给能力，以便更好地应用于分散式废水处理系统中。
章节要点
E-AFMBR的结构
本研究构建了一个实验室规模的E-AFMBR，该反应器为圆柱形丙烯酸材质，总工作容积为4.1升，还配有外部循环回路（见图1）。为了增强混合效果，通过磁力驱动的离心泵（NH-50PX，PAN WORLD，日本）将悬浮液在循环回路中不断循环。作为流化介质的聚对苯二甲酸乙二醇酯珠粒直径为2–3毫米，比重为1.3，按照膜浸没柱高度的35%比例填充在反应器中。在该系统中，
临界通量测定
为了研究电压供应和流态化作用对膜污染影响的综合效应，我们采用了通量阶跃法来确定临界通量。通过对比不同时通量下的TMP变化曲线，利用线性回归方法计算出TMP的变化率dTMP/dt，并将其与渗透通量绘制在一起（见图2）。临界通量是指线性回归曲线与亚临界区域的交点，在该区域dTMP/dt的值保持较低水平，几乎
研究结论
本研究表明，在持续运行100天、水力停留时间为6小时的条件下，介质流态化和电压供应这两种运行模式共同决定了电化学厌氧流化床膜生物反应器处理合成灰水时的污染控制效果和能量回收效率。在短期的通量阶跃测试中，流化介质的物理冲刷作用起到了控制污染的作用；而当介质的冲刷作用不足以应对污染时，外部电压的辅助作用才会更加明显。
作者贡献说明
Minseok Kim：负责原文撰写、方法设计、实验研究以及数据分析。 Yue Chen：同样参与原文撰写、方法设计、实验研究及数据分析工作。 Gyeongjune Lee：负责方法设计和实验研究。 Di Wu：参与原文审阅与编辑、方法设计、资金申请以及数据分析。 Jeonghwan Kim：负责原文审阅与编辑、研究指导、实验研究、资金申请、数据分析以及研究构思工作。
利益冲突声明
所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会的资助，而这些资金又来源于韩国政府（科技信息通信部）（项目编号为RS-2025-02213817和RS-2022-NR070367）。Yue Chen还感谢中国国家留学基金委以及Marine UGent Korea项目提供的支持。
Minseok Kim|Yue Chen|Gyeongjune Lee|Di Wu|Jeonghwan Kim
