MEC 耦合AnMBR 技術(shù)在污水處理中的研究進(jìn)展

陳 妹，楊 陽，王 鑫

（南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350）

污水的高效處理與回用是緩解水資源危機(jī)、保障用水安全的有效手段，但傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)存在能耗高的問題。據(jù)報道，好氧活性污泥法污水處理技術(shù)的能耗約為0.6 kW·h/m3〔1〕，其中約50%的能耗被用于曝氣過程。另外，污水中蘊(yùn)含大量可利用的化學(xué)能，單位COD 蘊(yùn)含的化學(xué)能約為17.8～28.7 kJ/g〔2〕。厭氧處理是提取污水中污染物能量最成熟的手段之一〔3〕。

厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）是一種集膜分離技術(shù)與厭氧生物處理技術(shù)于一體的污水處理工藝，能克服傳統(tǒng)厭氧生物處理過程中污泥流失、占地面積大的問題〔4〕，已被應(yīng)用于市政污水〔5〕、畜牧業(yè)廢水〔6〕及其他高有機(jī)物強(qiáng)度廢水〔7〕的處理中。但與好氧膜生物反應(yīng)器（AeMBR）相比，AnMBR 污泥濃度更高且曝氣沖刷程度受限，膜污染問題也更為嚴(yán)峻〔4，8〕，限制了其進(jìn)一步推廣。微生物電解池（MEC）是一種微生物電化學(xué)技術(shù)，可利用電活性微生物為催化劑將污水中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能、清潔能源或有價值的副產(chǎn)物，在污水處理過程中具有較大的潛力，但單一的MEC 技術(shù)無法滿足污水再生利用的高要求〔9〕，污水處理效率較低，出水效果也無法保證達(dá)標(biāo)。MEC-AnMBR 耦合技術(shù)是一種相輔相成的技術(shù)，能充分發(fā)揮各單元過程的技術(shù)優(yōu)勢，愈發(fā)受到關(guān)注。近年來，國內(nèi)外學(xué)者〔10-13〕通過將AnMBR 與MEC耦合實(shí)現(xiàn)了對污水中污染物的高效去除，緩解了MBR 運(yùn)行過程中的膜污染問題，且通過回收污水中潛藏的能源從而降低了污水處理的能耗。

1 技術(shù)概述

1.1 厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）

AnMBR 作為一種新興的污水處理技術(shù)，能同時滿足污染物處理與資源、能源回收的需求，具有剩余污泥產(chǎn)率低、可回收營養(yǎng)物質(zhì)和可再生能源的優(yōu)勢〔14-15〕。大量研究表明，AnMBR 在對高有機(jī)物強(qiáng)度污水（如餐廚、豬糞等廢水〔16-18〕，COD＞3 000 mg/L）的處理中，COD 去除率高，且可通過能源回收降低污水處理過程中的總運(yùn)行費(fèi)用〔18-20〕。M. KANAI 等〔21〕研究發(fā)現(xiàn)久保田公司的AnMBR 裝置在日本釀酒廠的污水處理中是十分高效的，且AnMBR 在對高有機(jī)物強(qiáng)度的餐廚污水處理中COD 去除率高達(dá)92%，能量回收量約為1.2×107kJ/d。

但是，AnMBR 多通過采用沼氣循環(huán)、提高錯流速率的方式來提高膜面附近的湍流程度以減緩污染物附著，從而降低膜污染程度，但沼氣循環(huán)過程的能耗高（0.7～3.4 kW·h/m3）〔19，22〕且膜污染緩解效果受污泥性能影響大。進(jìn)一步地，AnMBR 的膜污染機(jī)制與AeMBR 有所不同。因此，針對AnMBR 開發(fā)低耗高效的膜污染緩解技術(shù)是十分必要的。

1.2 微生物電解池（MEC）

與微生物燃料電池（MFC）相似，MEC 是一種電介導(dǎo)的微生物電化學(xué)技術(shù)，以電活性微生物為催化劑氧化污水中的有機(jī)物，同時將陽極作為終端電子受體并通過外電路與發(fā)生還原反應(yīng)的陰極相連〔23〕。值得注意的是，最初研發(fā)MEC 系統(tǒng)是為了從污水中實(shí)現(xiàn)高效生物產(chǎn)氫〔24-25〕，通過將氧氣從系統(tǒng)中排除，并對電路施加微弱的額外電壓，MEC 的陰極表面可析出氫氣〔26〕。相較于其他產(chǎn)氫技術(shù)，MEC 在電活性微生物催化下能夠克服熱力學(xué)限制，在相對溫和的條件下從多種有機(jī)物（如纖維素、葡萄糖、市政污泥等）中實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)氫。與直接電解水產(chǎn)氫（＞2.1 V）相比，MEC 技術(shù)所需的電能輸入（0.2～0.8 V）相對較低，因此降低了制氫的電能成本〔27〕。MEC 的高效低耗產(chǎn)氫能力使得該技術(shù)在與AnMBR 耦合時，能通過原位產(chǎn)生微小的氫氣氣泡對膜面污染物進(jìn)行沖刷，從而緩解膜污染情況。膜污染緩解機(jī)制將在后文進(jìn)一步討論。

1.3 MEC-AnMBR 耦合技術(shù)

近年來，大量研究發(fā)現(xiàn)通過施加微弱電場將MEC 與AnMBR 耦合是一種高效低耗的污水處理與膜污染緩解技術(shù)〔4，19〕。在MEC-AnMBR 耦合技術(shù)的研究中，大部分研究將MEC 與AnMBR 集成一體式〔12，28〕，但也有少部分研究將生物處理與產(chǎn)電過程、過濾過程分離〔4〕。集成一體式MEC-AnMBR 耦合技術(shù)多采用導(dǎo)電的、具有催化性能的金屬膜或?qū)щ娋酆衔锬ね瑫r作為電極材料與膜分離介質(zhì)。一體式MEC-AnMBR 由于結(jié)構(gòu)簡單、易于連續(xù)自動化運(yùn)行的優(yōu)勢，關(guān)注度更高。

MEC-AnMBR 耦合技術(shù)的裝置形式多樣，筆者以一體式MEC-AnMBR 為例進(jìn)行介紹，裝置示意見圖1〔12，23，29〕。

圖1 一體式MEC-AnMBR 耦合技術(shù)裝置示意Fig.1 The schematic diagram of the integrated MEC-AnMBR

一體式MEC-AnMBR 耦合技術(shù)多以導(dǎo)電膜為陰極，通過外電路與外加電源和生物陽極相連接，導(dǎo)電膜同時可作為分離過濾的介質(zhì)。污水被體系中懸浮微生物降解，在經(jīng)過生物陽極時，有機(jī)污染物被電活性微生物進(jìn)一步氧化，釋放的電子以陽極為終端電子受體經(jīng)外電路傳遞至陰極，釋放的質(zhì)子在陰極膜表面被還原成氫氣，經(jīng)過處理的污水透過導(dǎo)電膜排出裝置。例如，研究者們以鎳基〔12，29〕、石墨烯〔23〕導(dǎo)電中空纖維膜（HFM）為陰極來構(gòu)筑MEC-AnMBR裝置，這種設(shè)計使得陰極表面產(chǎn)生的生物氣能被用來減緩膜污染，同時也增大了MEC 技術(shù)中陰極的表面積，解決了微生物電化學(xué)技術(shù)使用過程中陰極面積有限的問題。

2 MEC-AnMBR 在污水處理中的應(yīng)用

2.1 MEC-AnMBR 強(qiáng)化去除污染物

2.1.1 常規(guī)有機(jī)物

污水處理過程中有機(jī)物的去除效率（常用COD去除效果表征）是評估污水處理方法處理效能的最常見指標(biāo)之一。AnMBR 工藝由于污泥濃度高且膜材料具有過濾攔截的作用，對有機(jī)物的去除效率處在較高的水平。但研究發(fā)現(xiàn)，通過耦合MEC，AnMBR 能夠進(jìn)一步強(qiáng)化對有機(jī)污染物的去除。根據(jù) 文 獻(xiàn)〔4〕、〔22〕和〔30-33〕，圖2 總 結(jié) 出MECAnMBR 耦合技術(shù)與AnMBR 中COD 去除率的對比。

圖2 MEC-AnMBR 耦合技術(shù)與AnMBR 中COD 的去除率對比Fig.2 The comparison of the COD removal efficiency between MEC-AnMBR and AnMBR

從圖2 可以看出，MEC 的引入使得MECAnMBR 體系對COD 的平均去除率提高了8.43%。這是由于通過耦合MEC，MEC-AnMBR 體系能夠促進(jìn)體系中微生物的生長、強(qiáng)化微生物代謝，同時也提高了體系中微生物的多樣性與豐度。Shuwen DU等〔30〕的研究結(jié)果證實(shí)，雖然MEC 的引入對膜組件的攔截作用增強(qiáng)效果不顯著，但卻能強(qiáng)化生物降解作用，使生物降解效率提高8.4%。

Yue YANG 等〔33〕以牛血清蛋白（BSA）、海藻酸鈉（SA）和AnMBR 中的上清液為模型污染物開展批次實(shí)驗(yàn)，探究不同外加電壓及液體性質(zhì)對MECAnMBR 運(yùn)行性能的影響。其研究發(fā)現(xiàn)，MECAnMBR 體系對COD 的去除效率不僅與外加電壓有關(guān)，而且受污染物本身性質(zhì)的影響較大。這是由于陰極導(dǎo)電膜與帶負(fù)電的污染物之間存在靜電斥力，體系對電負(fù)性更強(qiáng)的污染物攔截去除作用更強(qiáng)。同時，隨著外加電壓從0.4 V 提升到1.2 V，膜面與污染物之間的靜電斥力增大，COD 去除率提高了19.2%。但也有學(xué)者〔4，34-35〕認(rèn)為，MEC 體系的外加電壓≥1.2 V時會使細(xì)胞裂解，從而降低微生物生長速率與代謝性能，導(dǎo)致有機(jī)物去除效果惡化。

近年來，正滲透膜（FO）被引入AnMBR 中代替常用的低壓膜（主要包括微濾膜和超濾膜），通過組建厭氧滲透膜生物反應(yīng)器（AnOMBR）來降低MBR的運(yùn)行能耗。盡管在MEC-AnOMBR 體系中，學(xué)者們更關(guān)注的是MEC 對AnOMBR 系統(tǒng)中CH4產(chǎn)量的提升、膜污染的控制以及濃差極化的減緩問題〔10，19，31，36〕，但Hanmin ZHANG 等〔31〕以 不 銹 鋼 鋼 絲網(wǎng)為陰極置于三乙酸纖維素FO 膜附近并與FO 膜相接觸，以碳刷為陽極，搭建了MEC-AnOMBR 系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能降低體系中鹽返混通量，還將COD 去除率提高了9.48%，這是由于除被厭氧消化利用外，有機(jī)物還可被碳刷陽極上的微生物進(jìn)一步降解去除。

表1 進(jìn)一步總結(jié)了近年來MEC-AnMBR 耦合技術(shù)運(yùn)行中污染物去除情況、膜污染情況及生物氣的產(chǎn)生情況?？傮w而言，MEC-AnMBR 耦合系統(tǒng)對有機(jī)污染物的去除效果較好。

表1 MEC-AnMBR 耦合技術(shù)的運(yùn)行情況Table 1 The performance of MEC-AnMBR

2.1.2 其他污染物

抗性基因（ARGs）是由于抗生素的廣泛使用而引起的棘手問題，威脅人類健康。而厭氧生物處理技術(shù)是ARGs 轉(zhuǎn)移與傳播的有利載體。Zhenghao LI 等〔38〕研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MEC-AnMBR體系的外加電壓低于0.7 V時，體系中大部分目標(biāo)ARGs（intI1、tetA、tetQ、tetW、sulI）的絕對豐度降低；在外加電壓為0.5 V 時，懸浮液和出水中的intlI、tetA、tetW和sulI較開路狀態(tài)下分別降低0.17～0.58 logs和0.24～0.70 logs；但當(dāng)外加電壓過高時（0.9 V），懸浮液和出水中的ARGs 激增。

2.2 MEC-MBR 的膜污染控制

2.2.1 MEC 對AnMBR 中膜污染的緩解效果

在MBR 技術(shù)運(yùn)行過程中，分離料液中有機(jī)物的黏附、微生物的滋長及微生物的代謝產(chǎn)物是造成膜污染的主要原因。在AnMBR 中，由于膜組件形式各異以及沼氣沖刷作用在膜面引起的剪切力較小、沖刷效果有限，膜污染問題嚴(yán)重。但在MEC-AnMBR耦合技術(shù)中，即使采用填充密度較高的HFM 組件，原位產(chǎn)生的生物氣氣泡也可進(jìn)行原位沖刷，從而減少污染物和微生物的黏附，減緩膜污染過程。

從表1 可以看出，通過耦合MEC 技術(shù)，AnMBR的運(yùn)行周期延長，跨膜壓力（TMP）增長速率顯著降低或膜通量下降速率減緩。Aqiang DING 等〔4〕的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加電壓由開路狀態(tài)變?yōu)?.0 V 時，膜面上污泥的Zeta 電位絕對值由22.3 mV 增大至30.9 mV，更高的污泥Zeta 電位導(dǎo)致污泥表面的負(fù)電荷增多，靜電勢升高，污泥與膜面之間的靜電斥力增大，污泥在膜面的結(jié)塊減少，從而可減少泥餅的形成。Yue YANG 等〔33〕發(fā)現(xiàn)外電場引起的負(fù)電位可以排斥帶負(fù)電荷的污染物，從而減緩泥餅層形成的趨勢。Yue YANG 等〔37〕還發(fā)現(xiàn)MEC 技術(shù)的引入不僅能降低TMP 的增長速率，且膜組件經(jīng)清洗后分離過濾性能恢復(fù)效果更好。有意思的是，Xianbin YING等〔32〕通過浸漬-碳化法制備了導(dǎo)電的碳化硅陶瓷膜并用于AnMBR 中，通過開展抗污染性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對AnMBR 施加外加電位為-0.5 V vs. Ag/AgCl 時，膜污染速率加快（1.81 kPa/h），甚至高于不加電對照組（1.41 kPa/h）；但當(dāng)外加電位為-2.0 V 時，膜污染速率僅為0.39 kPa/h。

在FO-MBR 體系中，導(dǎo)致FO 膜通量下降的原因有兩點(diǎn)：一是汲取液離子反向擴(kuò)散造成進(jìn)料液中鹽濃度升高，從而導(dǎo)致膜兩側(cè)滲透壓下降；二是鹽累積及微生物滋長導(dǎo)致的膜污染問題。通過耦合MEC技術(shù)，研究者們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電陰極膜能夠減小鹽反混通量，減緩汲取液中離子向料液中的反相擴(kuò)散，從而緩解膜污染。Hanmin ZHANG 等〔31〕的研究表明，當(dāng)外加電壓為0.5 V 時，MEC-AnOMBR 中料液的電導(dǎo)率的增長速率〔0.08 mS/（cm·d）〕顯著低于AnOMBR 對照組〔0.11 mS/（cm·d）〕。Tianyu GAO 等〔10〕的研究也進(jìn)一步證實(shí)MEC 的引入能降低AnOMBR 中的水通量下降速率，即水通量下降速率由每天0.73 L/（m2·h）降為0.53 L/（m2·h）。

2.2.2 MEC-AnMBR 中膜污染緩解機(jī)制

膜污染是MBR 技術(shù)無法避免的問題，針對不同的膜污染可采取不同的膜污染控制方法，包括制備抗菌膜、優(yōu)化運(yùn)行條件等?？刂品椒ú煌徑饽の廴镜臋C(jī)制也不相同。在MEC-AnMBR 耦合技術(shù)中，MEC 技術(shù)對膜污染的緩解機(jī)制可以歸結(jié)為3 個方面：陰極膜與污染物之間靜電斥力的增強(qiáng)、陰極產(chǎn)生的氫氣對膜進(jìn)行的原位沖刷、外加電場對污泥性能與微生物活性的影響。

由于料液中的微生物及污染物大多呈現(xiàn)電負(fù)性，當(dāng)對導(dǎo)電膜施加負(fù)電位時，污染物、微生物與膜表面的靜電斥力增強(qiáng)，從而緩解了微生物在陰極膜表面的黏附沉積，減少了由黏附的微生物滋生引起的有機(jī)污染〔22，39〕。陰極膜表面產(chǎn)生的氫氣對污染物的原位沖刷也被認(rèn)為是減緩膜污染的重要機(jī)制之一〔12，28，30〕。K.P.KATURI 等〔12，23〕發(fā)現(xiàn)，增大外加電壓會使氫氣產(chǎn)量增多，從而降低膜污染速率。V.SAPIREDDY 等〔29〕采用高速攝像機(jī)對MEC-AnMBR中的氫氣氣泡大小、分布及成核位點(diǎn)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)氫氣氣泡的大小與產(chǎn)生速率也影響著TMP 的增長速率，這是由于氫氣氣泡的產(chǎn)生頻率與大小分布嚴(yán)重影響膜面污染層的流體動力學(xué)〔40-41〕；同時，該研究還發(fā)現(xiàn)從HFM 膜絲底部以Ⅳ型成核方式產(chǎn)生的氣泡更有利于膜污染的控制。進(jìn)一步地，還有學(xué)者〔11-12，30〕認(rèn)為陰極膜表面發(fā)生的析氫反應(yīng)會消耗膜區(qū)附近的質(zhì)子，導(dǎo)致pH 上升，這可能也是MECAnMBR 耦合技術(shù)中膜污染情況緩解的原因之一。

生物污染及由微生物分泌的微生物產(chǎn)物是引起膜通量下降的主要原因，因此膜污染過程受分離料液的組成與性質(zhì)影響較大。通過對AnMBR 引入MEC 后的料液性質(zhì)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，MEC 還可通過影響料液的組成和性質(zhì)來控制膜污染過程。微生物產(chǎn)物包括溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）與胞外多聚物（EPS），主要由蛋白質(zhì)、多糖和腐殖酸組成，一般認(rèn)為蛋白質(zhì)和多糖是引起有機(jī)物污染的主要成分〔42〕。蛋白質(zhì)中的氨基帶正電荷，可以中和多糖和DNA 中羧基和磷酸基的負(fù)電荷，蛋白質(zhì)含量的相對降低會導(dǎo)致帶正電荷的氨基減少。已有研究〔4，37，43〕表明引入MEC 并增強(qiáng)外電場能降低體系中的蛋白質(zhì)與多糖的比例，在較低的蛋白質(zhì)水平下，膜表面與污染物之間的靜電斥力增強(qiáng)，可有效緩解膜污染。除此之外，外加電場的引入還可能會增大污泥顆粒Zeta 電位的絕對值、降低污泥黏度、減弱污泥顆粒間的團(tuán)聚和污泥與膜面之間的吸附能，從而減緩泥餅層的形成〔4〕。

2.3 MEC-MBR 對生物氣及微生物群落的影響

2.3.1 生物氣

生物氣產(chǎn)量與組分是衡量厭氧系統(tǒng)資源、能源回收能力的重要指標(biāo)。在MEC-AnMBR 耦合技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，引入MEC 可提高AnMBR 中的CH4產(chǎn)率與產(chǎn)量（圖3）〔10，22，31〕，同時還能提高CH4在生物氣中的占比。

圖3 MEC-AnMBR 耦合技術(shù)與對照組中CH4產(chǎn)率對比Fig.3 The comparison of CH4 yield rate between MEC-AnMBR and the control

盡管在MEC-AnMBR 技術(shù)中有更多的產(chǎn)氫途徑（包括陰極析氫反應(yīng)與厭氧消化過程乙酸生成階段產(chǎn)氫），但在現(xiàn)有的報道中，并未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中氫氣的累積。這是由于氫氣的產(chǎn)生會促進(jìn)嗜氫產(chǎn)甲烷菌的生長，從而提高CH4的產(chǎn)量與產(chǎn)率。 K. P.KATURI 等〔12〕研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在MEC-AnMBR 中施加0.7 V 的外加電壓時，超過71%的底物能量被轉(zhuǎn)化成富含CH4的生物氣（83% CH4，＜1% H2）。O. EL KIK等〔22〕發(fā)現(xiàn)，通過引入MEC，實(shí)驗(yàn)組MEC-AnFMBR 的單 位COD 的CH4平 均 產(chǎn) 率（0.20 L/g）相 較 于An-FMBR 對照組（0.128 L/g）提升了0.6 倍，且生物氣中CH4占比由63%提升至80%。

在將MEC 引入AnOMBR 技術(shù)的研究中，也得到了相同的規(guī)律。Haimin ZHANG 等〔31〕通過引入MEC，將AnOMBR 中單位COD 的CH4產(chǎn)率由0.254 L/g 提升到0.281 L/g，增大了10.07%。Tianyu GAO 等〔10〕的研究中更是利用MEC-AnOMBR 技術(shù)對污水厭氧處理中的生物氣進(jìn)行了凈化，經(jīng)過60 d 的運(yùn)行后，生物氣中CH4的比例達(dá)到90%，且CH4產(chǎn)率較AnOMBR 對照組提升1.6 倍。

2.3.2 微生物群落

在MEC-AnMBR 系統(tǒng)中，CH4主要通過嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌直接由乙酸生成和嗜氫產(chǎn)甲烷菌利用陰極表面產(chǎn)生的氫生成。由于陰極膜表面會原位產(chǎn)氫，因此更有利于嗜氫產(chǎn)甲烷菌的生長。從熱力學(xué)角度看，產(chǎn)甲烷菌更傾向于利用氫氣來產(chǎn)生CH4而非乙酸鹽；從微生物學(xué)方面看，嗜氫產(chǎn)甲烷菌生長速度快，生長周期短于嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌〔31，44〕；進(jìn)一步地，一些已知的甲烷桿菌科物種是親堿性的，在pH 為8.1～9.1 范圍的環(huán)境中生長旺盛〔12〕。因此，嗜氫產(chǎn)甲烷菌更適合在MEC-AnMBR 中富集，從而提高CH4在生物氣中的占比與產(chǎn)率。

K. P. KATURI 等〔12〕通過定期改變施加在MECAnMBR 上的電位發(fā)現(xiàn)，嗜氫產(chǎn)甲烷菌Methanobacte-riales（99.8%）在陰極占主導(dǎo)地位，而混合營養(yǎng)性產(chǎn)甲烷菌（Methanosarcinacea）僅占0.2%，嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌在電極及溶液中均未檢出，該MEC-AnMBR 中CH4的產(chǎn)生主要是通過氫營養(yǎng)型甲烷化。Tianyu GAO 等〔10〕對MEC-AnOMBR 與AnOMBR 對 照 組 中的微生物群落分析發(fā)現(xiàn)，Methanosaeta（嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌）是對照組中的主要優(yōu)勢菌種，說明乙酸轉(zhuǎn)化為CH4是其主要產(chǎn)甲烷路徑；在耦合MEC 后，AnOMBR中甲烷菌屬（Methanobacterium）的豐度從24.1%增加到32.7%，且嗜氫產(chǎn)甲烷菌（Methanobacterium和Methanobrevibacter）的 豐 度 從16.6% 增 加 到55.5%。Yue YANG 等〔37〕也同樣發(fā)現(xiàn)了嗜氫產(chǎn)甲烷菌（Methanomassiliicoccus、Methanosarcina、Methanobacterium和Methanoregula）在MEC-AnMBR 中的富集。

3 影響MEC-MBR 運(yùn)行性能的因素

在MEC 系統(tǒng)中，外加電壓與陰極比表面積（SCSA，單位體積反應(yīng)器的陰極面積）對MEC 的產(chǎn)氫速率影響較大，而裝置的構(gòu)型也將影響水體的流態(tài)等，因此以上因素都可能對MEC-AnMBR 體系的運(yùn)行性能產(chǎn)生影響。

3.1 外加電壓

外加電壓/電位是影響MEC 技術(shù)運(yùn)行性能的重要參數(shù)之一，其大小會影響析氫過程的能量平衡和析氫速率〔45〕。理論上，隨著外加電壓的增大〔45〕，析氫速率增大，膜表面氣泡形成速率加快，從而沖刷效應(yīng)增強(qiáng)，膜污染速率減小。近年來，學(xué)者們針對電壓/電位對MEC-AnMBR 系統(tǒng)的影響展開了研究，MEC-AnMBR 運(yùn)行性能的影響因素見表2。

表2 MEC-AnMBR 運(yùn)行性能的影響因素Table 2 The factors affecting the performance of MEC-AnMBR

C. M. WERNER 等〔23〕的研究表明外加電壓的增大能夠提高氫氣產(chǎn)生速率，降低膜污染速率，但MEC-AnMBR 體系中并不是外加電壓越大越好。Zhenghao LI 等〔38〕發(fā)現(xiàn)當(dāng)外加電壓為0.9 V 時，MECAnMBR 體系初期的運(yùn)行性能（COD、生物氣產(chǎn)量和組分）良好，但運(yùn)行后期污染物去除效率下降，且CH4產(chǎn)率降低，認(rèn)為這是由于過高的電壓會誘導(dǎo)產(chǎn)生氧化應(yīng)激壓力，引起嚴(yán)重的細(xì)胞破裂，導(dǎo)致厭氧污泥代謝活性降低〔46〕。

值得注意的是，Xianbin YING 等〔32〕的近期研究卻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對陰極膜施加-0.5 V vs.Ag/AgCl 電位時，相比于AnMBR 對照組，MEC-AnMBR 實(shí)驗(yàn)組膜污染速率甚至更快；但當(dāng)施加電位＜-1.0 V vs.Ag/AgCl 時，實(shí)驗(yàn)組的運(yùn)行周期可提高至對照組的3 倍以上；進(jìn)一步地，研究還發(fā)現(xiàn)外加電位對CH4產(chǎn)生速率影響較小，但卻會促使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CO2。該研究的結(jié)論與前有文獻(xiàn)存在較大差異，可能是由于該研究中所用陶瓷膜性能與聚合物分離膜存在區(qū)別的緣故。

3.2 其他影響因素

除外加電壓/電位外，SCSA 對MEC 體系中氫氣的產(chǎn)生影響也較大〔47〕，但目前針對SCSA 對MEC-AnMBR系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響研究較少。 2019 年，V.SAPIREDDY 等〔29〕研究了不同SCSA（2、4、8 m2/m3）對MEC-AnMBR 中電流密度、TMP、生物氣量與組成變化的影響，發(fā)現(xiàn)SCSA 為8 m2/m3的MEC-AnMBR 中產(chǎn)生的氣泡粒徑最?。?5～114 μm），且隨著SCSA 的增大，MEC-AnMBR 的膜污染速率減小。增大SCSA 可加強(qiáng)原位產(chǎn)生氣泡引起的沖刷作用，從而降低膜污染的傾向。

C. M. WERNER 等〔23〕還 研 究 了 反 應(yīng) 器 構(gòu) 型 對MEC-AnMBR 性能的影響，認(rèn)為相比于圓柱形裝置，矩形裝置能夠降低膜污染速率，減緩生物污染層的形成，但作者并未對裝置構(gòu)型影響MEC-AnMBR 運(yùn)行性能的原因進(jìn)行解釋。但由于該研究中2 種構(gòu)型裝置的SCSA 不同（矩形裝置SCSA 為8.6 m2/m3，圓柱形裝置中僅為4 m2/m3），且2 種構(gòu)型裝置中陰陽極擺放位置及擺放距離也不相同，因此，并不能排除這些因素對MEC-AnMBR 運(yùn)行性能的影響。

4 結(jié)語與展望

MEC-AnMBR 耦合技術(shù)綜合了2 種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，是一種相輔相成、“互利互惠”的污水處理技術(shù)。該技術(shù)既能解決MEC 技術(shù)單獨(dú)使用時出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)的問題，又能通過多種機(jī)制減緩傳統(tǒng)AnMBR技術(shù)中的膜污染問題，是一種集約型、低耗高效的污水處理技術(shù)，符合碳中和背景下水污染技術(shù)的發(fā)展需求。

未來對MEC-AnMBR 耦合技術(shù)的研究還需著重考慮以下幾點(diǎn)：

（1）現(xiàn)有的研究對能耗衡算的報道較少，后續(xù)研究應(yīng)針對能量回收與能量消耗進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將其作為評估分析的指標(biāo)，以便建立一個“收支”平衡的處理系統(tǒng)。

（2）系統(tǒng)的放大應(yīng)用一直是微生物電化學(xué)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，AnMBR 技術(shù)配置緊湊、占地面積小，能作為微生物電化學(xué)技術(shù)放大應(yīng)用的有效手段之一。

（3）污水處理過程中，水資源的再生與循環(huán)利用能源自給率高，是“雙碳”背景下抵消污水處理過程碳足跡的重要途徑，而污水處理出水中有毒、有害難降解有機(jī)污染物去除率低是限制水回用的關(guān)鍵。通過調(diào)控電位、污泥齡等關(guān)鍵參數(shù)，篩選特定污染物的代謝功能菌或建立新的代謝通路，實(shí)現(xiàn)污水中難降解污染物的高效處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水資源的回用，也將進(jìn)一步拓展MEC-AnMBR在污水處理與回用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。