生物电耦合对活性炭-超滤工艺处理地表微污染水的影响机理研究

利用生物电化学系统处理地表水时,弱电压不但会刺激电活性菌的呼吸作用,而且会引起氧化胁迫导致胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substance,EPS）过量分泌.为确认在地表水处理中弱电压对膜污染和净水效率的影响,本研究设置了外加1.0 V直流电压（记为"BES系统"）和无外加电压（记为"CK系统"）的两组平行对照生物活性炭-超滤系统.经过50 d的运行,BES系统（36.1 kPa）相比CK系统（19.1 kPa）跨膜压差（Trans Membrane Pressure,TMP）增加更为显著,膜污染更严重.电路电流、电极电势和循环伏安（Cyclic Voltammetry,CV）曲线显示,随着装置运行,两系统生物膜逐渐稳定,并且产生具有氧化还原活性的EPS导致阳极电容增加.相比之下,BES系统产生了更多EPS,具有更高的阳极电容.水质指标显示,BES系统中比紫外吸光度（Specific Ultraviolet Absorbance,SUVA）、NH₄⁺-N和PO₄^3--P的去除增强但总有机碳（Total Organic Carbon,TOC）去除减弱;三维荧光光谱（Excitation-Emission-Matrix,EEM）和尺寸排阻色谱（Size Exclusion Chromatography,SEC）分析结果表明,BES系统膜池中产生了更多的生物聚合物,但腐殖质类有机物明显减少.活性炭表面EPS含量和腺嘌呤核苷三磷酸（Adenosine Triphosphate,ATP）含量的测试结果证实,弱电压刺激了生物膜的生长,同时增加了氧化还原活性EPS的含量.对膜表面累积多糖、蛋白质含量的测试分析进一步揭示了多糖类大分子生物聚合物在膜表面的累积是导致严重膜污染的直接原因.研究可为生物电化学系统在微污染水处理的研究和应用提供新的见解.