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膜生物反应器(MBR)在废水处理过程中因其出水水质好,占地面积小等优势而得到了广泛的应用,但是膜污染问题限制其更加广泛的应用与推广。为从源头上实现膜污染的有效控制,提高MBR的整体使用性能,本研究以电化学强化碳纳米管中空纤维膜(CHFMs)为基本的膜分离单元,构建了电化学强化的膜生物反应器,探究电化学技术对膜污染的控制效果。研究发现负偏压强化CHFMs可排斥带有负电的污染物,使其远离膜分离单元而减缓膜污染;正偏压可直接氧化去除沉积在分离膜表面及内部的污染物;而在Fe2+存在条件下,通过在多孔碳-碳纳米管中空纤维膜上施加负偏压可原位产生羟基自由基(·OH)。·OH更高效地氧化去除了污染物,提高膜污染的控制效果。本文涉及的主要研究内容及结论如下:(1)利用湿法纺丝技术制备的CHFMs具有良好的亲水性(接触角为75.36°)、交联的网状结构。以牛血清蛋白(BSA)、腐殖酸(HA)、海藻酸钠(SA)和厌氧生物反应器上清液(SAB)为目标污染物的过滤实验中,水力清洗对CHFMs的通量恢复率分别为61.4%、80%、82.3%和58.2%,均高于对聚偏氟乙烯中空纤维膜(PVDF-HFMs)的通量恢复率(依次为39.9%、52.4%、59.2%和44.7%)。此外,经CHFMs过滤后SAB的COD浓度比对照组中低至少40 mg/L。上述结果说明,CHFMs与PVDF-HFMs相比具有更优越的抗污染和分离能力。(2)以-1.2 V偏电压强化CHFMs进行的过滤实验中,电化学强化CHFMs对BSA、SA和SAB的截留效率分别为92.1%、87.3%和56.8%,是不加电情况下的3.3、1.4和1.5倍,同时膜的通量损失率更低。在以CHFMs为基本分离单元的电化学强化的厌氧膜生物反应器(AnEMBR)内,与对照组(以PVDF-HFMs为膜分离单元)相比,跨膜压差(TMP)增长速率更低,水力清洗后膜的通量恢复率更高。同时,AnEMBR对COD的去除效率高于95%,CH4的产量比对照组提高了 111.12 mL/gVSS·d。上述结果说明,负偏压排斥了带有相同负电荷的污染物使其远离膜分离单元,缓解了膜污染,提高了出水水质。(3)以+1.0 V偏电压强化CHFMs进行的过滤实验中,电化学强化CHFMs对BSA、葡萄糖和苯酚的去除效率分别是不加电情况下的2.7、2和12倍,同时膜的通量损失率更低。电化学强化的好氧膜生物反应器(EMBR)对COD和NH4+-N去除率分别高于88%和80%。在整个周期中,EMBR中CHFMs仅进行了一次水力清洗恢复,TMP可恢复至初始水平。而以PVDF-HFMs和不加电CHFMs为分离单元的MBRs中,需要进行5次和4次的水力清洗,分别恢复到0.15 bar和0.09 bar,远高于初始水平(0.01 bar)。上述结果表明,正偏压可以直接氧化去除在膜表面及膜孔内部的污染物,进一步增强了膜污染控制效果。(4)制备了可原位产生·OH的多孔碳-碳纳米管中空纤维膜(PC-CHFMs)。在-0.8V偏电压条件下,PC-CHFMs对BSA、葡萄糖和苯酚的去除效率是不加电情况下的2.7、6.2和9.7倍,同时膜的通量损失率更低。在电芬顿强化的好氧膜生物反应器(E-Fenton-MBR))内,依靠·OH对污染物的高效氧化去除,PC-CHFMs的通量恢复率为100%。此外,E-Fenton-MBR对COD和NH4+-N的去除率分别高于93%和88%。上述结果表明,电芬顿强化的膜分离可实现在较低电压(-0.8 V)下污染物的高效去除,显著增强分离膜的抗污染能力。综上所述,电化学作用增强了膜的抗污能力,本研究为电化学强化膜分离系统在污水处理、甲烷回收、膜污染控制方面的实际应用奠定了理论基础。