【摘 要】
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厌氧膜生物反应器（AnMBR）系统中存在的膜污染问题大大制约了AnMBR在资源化污水处理方面的进一步应用。本研究构建了一种新型的单室空气阴极微生物燃料电池-厌氧膜生物反应器耦合工艺系统（ScMFC-AnMBR）,并探究了AnMBR系统在微生物电场环境下的性能强化与膜污染减缓机理,解决了AnMBR的应用瓶颈。本论文主要内容与结论如下:（1）构建了ScMFC-AnMBR耦合系统,在1000Ω的外接电阻
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厌氧膜生物反应器（AnMBR）系统中存在的膜污染问题大大制约了AnMBR在资源化污水处理方面的进一步应用。本研究构建了一种新型的单室空气阴极微生物燃料电池-厌氧膜生物反应器耦合工艺系统（ScMFC-AnMBR）,并探究了AnMBR系统在微生物电场环境下的性能强化与膜污染减缓机理,解决了AnMBR的应用瓶颈。本论文主要内容与结论如下:（1）构建了ScMFC-AnMBR耦合系统,在1000Ω的外接电阻下耦合系统稳定运行,输出电压保持在95±4 mV,电场强度可达225.63 mW·m-2;对比分析了耦合系统与传统厌氧膜生物反应器（C-AnMBR）在相同操作条件下的有机物去除和产甲烷性能。结果表明,ScMFC-AnMBR耦合系统的启动速度加快,耗时缩短至C-AnMBR启动时间的一半,COD去除率高达99.81%;运行稳定后耦合系统的甲烷产量为85.92 ml·g COD-1,是相同条件下对照组C-AnMBR甲烷产量的1.2倍;同时C-AnMBR内的VFAs含量(626.35 mg·L-1)是ScMFC-AnMBR耦合系统内VFAs含量的2.6倍。由此可见生物电场的存在有效强化了AnMBR系统的有机物去除性、产甲烷性能及抗酸化能力。（2）对比分析了ScMFC-AnMBR耦合系统与C-AnMBR的膜污染特性。结果表明,对照组C-AnMBR在整个运行周期内的第38、56和73天时的跨膜压差（TMP）超过35 kPa,尽管经过两次化学清洗,但其TMP增长速率依旧很大,仅靠清洗手段难以维持长期的稳定运行。而ScMFC-AnMBR耦合系统的TMP始终处于缓慢增长的状态,在实验运行后期的TMP数值仅达18.513 kPa。同时,耦合系统中的SMP和EPS含量相较于对照组C-AnMBR分别降低了30.01 mg·L-1和84.17 mg·L-1。因此,生物电场不仅强化了微生物之间的静电斥力,显著降低了膜表面的污染速率;而且通过有效降低膜污染物质（SMP\EPS）,减缓了系统膜污染加重趋势;此外,由于生物电场存在导致的粒径、电荷数、SMP和EPS含量及微生物群落结构变化,其多因素的协同作用共同完成了缓解系统膜污染的重任。（3）对比分析了ScMFC-AnMBR耦合系统与C-AnMBR的微生物群落结构。结果表明,ScMFC-AnMBR耦合系统在稳定的微生物电场环境中显著抑制了巨球型菌属（Megasphaera,相对丰度仅为0.002%）的繁殖增长,由于Megasphaera被认为是一种在酸性条件下易于黏附的微生物膜污染物,这说明了生物电场环境抑制了微生物膜污染物的增长从而起到缓解膜污染的作用;另外耦合系统内的嗜乙酸型产甲烷菌（甲烷鬃菌属,Methanosaeta）、产甲烷共生菌（互营杆菌属Syntrophobacter、史密斯氏菌属Smithella和Syner-01）和产电菌（脱硫弧菌属,Desulfovibrio）的相对丰度显著增加;产甲烷菌与产电菌间的协同作用导致耦合系统有机物去除和产甲烷性能的强化及膜污染缓解。在产电菌和产甲烷菌这两种功能菌群中贡献最大的为脱硫弧菌属（Desulfovibrio,相对丰度6.81%）、甲烷鬃菌属（Methanosaeta,相对丰度6.83%）及甲烷八叠球菌属（Methanosarcina,相对丰度1.5%）。通过以上结论,耦合了单室空气阴极微生物燃料电池的厌氧膜生物反应器耦合工艺系统（ScMFC-AnMBR）可以有效减缓膜污染,并且强化了产能性能和运行稳定性,在污水资源化处理方面具有很好的应用前景。
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