水资源和能源短缺已经成为全球面临的共同挑战,因此需要发展新型的低能耗和低成本的净水技术,通过废水回用和海水淡化增加淡水和能源的供应,实现可持续发展。正渗透（FO）作为近年来新兴的膜分离技术引起了广泛关注。FO是利用膜两侧溶液的渗透压差驱动水分子自发的透过半透膜,得到干净的水。相比较压力驱动膜技术,正渗透过程无需外加压力,具有低能耗、低污染、能实现高质量水回收等优点。然而目前正渗透的研究主要集中在实验室阶段,在废水资源化和能源化的应用还面临一些正渗透工艺的优化和选择、膜污染、膜传质属性等问题,因此需要对正渗透过程进行深入研究,为其进一步在废水资源化和能源化中的应用提供重要的信息和技术支撑。近年来微生物燃料电池（MFC）作为备受关注的集成污水处理和能源回收的新型技术,它是利用微生物催化氧化有机物直接转化为电能。然而限制MFC的应用一个重要因素是高效、低成本和耐污染的分离器。针对以上问题,本论文集成正渗透-微生物燃料电池（FO-MFC）工艺在废水资源化和能源化的研究,详细比较FO膜、阳离子交换膜（CEM）和阴离子交换膜（AEM）分别作为MFC体系分离器的电化学性能,深入探讨FO膜提高MFC产电性能的机制。并考察FO-MFC在长期运行过程中膜污染对FO-MFC产电性能的影响及其机制,讨论膜污染加快离子扩散的背后机制。本文进一步考察正渗透膜过程回收厌氧产酸发酵液的营养物的研究。系统探讨发酵液pH,水通量水平和膜朝向对营养物VFA、N和P截留变化;揭示FO膜在发酵液处理过程中的营养物传质属性。同时,正渗透膜具有高截留特点,能有效的去除自然水体中的纳米颗粒等新兴污染物,然而纳米颗粒如何影响有机物对FO膜的污染更是未有研究。本文也研究正渗透过程中由纳米颗粒与有机污染物相互作用造成的膜污染。选取了海藻酸钠（SA）和纳米颗粒（TiO₂）作为模式污染物,揭示TiO₂与SA在FO体系中的相互作用、膜污染行为和机制。主要研究内容和研究结果如下:1.集成FO-MFC工艺在废水处理和能量回收的应用,研究结果表明它比传统的阳离子交换膜CEM,阴离子交换膜AEM作为MFC分离器具有更好的电化学性能。FO-MFC比CEM-MFC提高了 2倍的电压,这是由于FO-MFC具有较高的阳极液电导率和减缓了阴极pH积累问题,降低了 MFC内阻。在CEM-MFC体系中由于其他阳离子的竞争作用,质子扩散受限,MFC面临严重的阴极pH积累问题。与CEM不同,FO膜具有独特的尺寸选择性,相对于其他大尺寸的竞争性阳离子,FO膜在优越的质子运动和水通量的产生共同驱动下,比CEM和AEM能产生高的质子通量。这项研究也为FO膜集成在MFC和其他生物电化学过程中的应用提供可行性。2.调查了长期运行过程中膜污染对FO-MFC电化学性能的影响及机制。相比较新膜,污染膜的FO-MFC损失了水通量,但产电性能增加了 34%。通过非生物电化学系统测试污染膜和新膜的质子通量和离子通量的差异,发现污染膜的净正电荷通量是新膜的3.5倍。同时通过实验和理论计算污染膜和新膜的质子通量,揭示了膜污染加强质子和离子扩散通量,减小欧姆内阻。利用污染加强浓差极化机制解释膜污染加强离子扩散的结果。这些结果揭示了 FO膜作为耐污染膜材料使用在MFC和其他生物电化学系统中具有潜在的应用前景。3.考察了正渗透膜过程对厌氧发酵液的营养物N、P和VFA截留。研究结果表明发酵液在酸性条件下,VFA截留率非常低,而pH在中性条件下,VFA截留率显著提高,达到90%左右。另外,氨氮的扩散也对pH的变化敏感,低pH氨氮具有较高的截留率,随着pH升高,氨氮截留率逐渐降低,而磷酸盐的截留对pH变化没有那么敏感,磷酸盐截留率仅有轻微的增加。增加汲取液的浓度导致水通量逐渐提高,营养物N、P和VFA的截留率都有不同程度的增加。PRO运行模式比FO模式能产生更高的水通量,但是营养物N、P和VFA的截留率都低于FO模式,这主要是采用PRO运行模式时发生严重的内浓差极化。4.通过衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）、zeta电位、流体力学直径和等温微量滴定热（ITC）等多种分析方法的表征膜污染的行为和机制,结果表明相比较SA单一污染,TiO₂和SA相互作用,能有效的减轻膜污染。TiO₂与SA的结合,增加了污染物的负电荷,增加静电斥力;同时结合物更加稳定不易聚集,减轻了污染物在膜表面的沉积。Ca²⁺存在时,Ca²⁺与SA架桥形成复合物,更易在膜表面形成致密的污染层。当加入TiO₂结合污染后,SA-TiO₂比SA具有更小的结合容量,因此TiO₂的存在减少了一部分Ca²⁺与SA的结合,减轻膜污染。