电活性生物过滤动态膜用于高效污水处理与膜污染控制——污染层生长平衡机制解析

牛承鑫 ,  史威 ,  李胄彦 ,  邱智伟 ,  郭雲 ,  王志伟

Engineering ›› 2025, Vol. 50 ›› Issue (7) : 60 -71.

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Engineering ›› 2025, Vol. 50 ›› Issue (7) : 60 -71. DOI: 10.1016/j.eng.2025.02.003
研究论文

电活性生物过滤动态膜用于高效污水处理与膜污染控制——污染层生长平衡机制解析

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Development of Electroactive Biofiltration Dynamic Membrane for Enhanced Wastewater Treatment and Fouling Mitigation: Unraveling the Growth Equilibrium Mechanisms of Fouling Layer

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摘要

本文开发了一种电活性生物过滤动态膜（EBDM）策略，用于废水处理与膜污染控制。这一方法通过在厌氧动态膜生物反应器中施加阴极电位，建立了生长平衡的电活性污染层。在240天的运行期间，EBDM表现出卓越的性能，其特点是污染速率超低（跨膜压差小于2.5 kPa）、出水水质优异（COD去除率大于93%且浊度约为2 NTU）以及甲烷（CH4）产率提高7.2%。形态学分析表明，EBDM作为生物过滤器，由结构化、互联、多级动态膜系统组成，具有有序截留的特点。在EBDM系统中，平衡生长的污染层生物污染较少，蛋白质二级结构较为疏松。此外，施加的电场改变了生物质的理化性质，从而降低了污染潜势。石英晶体微量天平结合耗散监测分析表明，与对照反应器中致密的黏弹性污染层相比，生长平衡促进了污染层的疏松化并降低了吸附质量。宏基因组测序进一步证实，持续电刺激促进了EBDM上电活性污染层的发育，通过选择性调节代谢途径加速了污染物的降解。EBDM策略成功建立了有序截留、分级过滤和平衡生长的电活性污染层，实现了减缓膜污染、提高出水水质和提升CH4产率的协同效应。

Abstract

We developed a strategy involving an electroactive biofiltration dynamic membrane (EBDM) for wastewater treatment and membrane fouling mitigation. This approach utilizes a cathode potential within an anaerobic dynamic membrane bioreactor to establish a growth equilibrium electroactive fouling layer. Over a 240 day operation period, the EBDM exhibited outstanding performance, characterized by an ultralow fouling rate (transmembrane pressure < 2.5 kPa), superior effluent quality (chemical oxygen demand (COD) removal > 93% and turbidity ∼2 nephelometric turbidity units (NTU)), and a 7.2% increase in methane (CH4) productivity. Morphological analysis revealed that the EBDM acted as a biofilter consisting of a structured, interconnected, multilevel dynamic membrane system with orderly clogging. In the EBDM system, the balanced-growth fouling layers presented fewer biofoulants and looser secondary protein structures. Furthermore, the applied electric field modified the physicochemical properties of the biomass, leading to a decrease in fouling potential. Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring analysis indicated that growth equilibrium promoted a looser fouling layer with a lower adsorption mass than did the denser, viscoelastic fouling layer observed in the control reactor. Metagenomic sequencing further demonstrated that continuous electrical stimulation encouraged the development of an electroactive fouling layer with enhanced microbial metabolic functionality on the EBDM. This approach selectively modifies metabolic pathways and increases the degradation of foulants. The EBDM strategy successfully established an ordered-clogging, step-filtered, and balanced-growth electroactive fouling layer, achieving a synergistic effect in reducing membrane fouling, enhancing effluent quality, and improving CH4 productivity.

关键词

废水处理 / 电活性生物过滤动态膜 / 生长平衡 / 生物质特性 / 微生物代谢

Key words

Wastewater treatment / Electroactive biofiltration dynamic membrane / Growth equilibrium / Biomass properties / Microbial metabolism

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牛承鑫,史威,李胄彦,邱智伟,郭雲,王志伟. 电活性生物过滤动态膜用于高效污水处理与膜污染控制——污染层生长平衡机制解析[J]. 工程（英文）, 2025, 50(7): 60-71 DOI:10.1016/j.eng.2025.02.003

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1 引言

城市化进程的加快、资源的日益枯竭以及全球淡水资源的持续匮乏，正推动着污水处理厂（WWTPs）从传统的污水管理向水再生、资源回收、能源自给自足及碳中和的关键转变[1]。与传统污水处理方法相比，厌氧膜生物反应器（AnMBRs）作为前沿技术脱颖而出，它将厌氧消化与超滤（1~100 nm）或微滤（0.1~10 μm）技术相结合[2‒3]。厌氧膜生物反应器能够独立调控水力和污泥停留时间，通过尺寸排阻机制实现高效的固液分离并产出高质量的出水，从而展现出显著的技术优势[4]。然而，有机颗粒的吸附、孔道堵塞/变窄以及无机颗粒的沉积所引发的严重膜污染问题，仍是制约厌氧膜生物反应器广泛应用与进一步发展的核心挑战[5‒6]。

动态膜（DMs）通过在支撑材料表面截留微生物、胶体、溶质及细胞碎片等形成生物滤饼层（亦称动态污染层），从而强化固液分离效果并实现生物质的高效截留[7‒8]。厌氧动态膜生物反应器（AnDMBRs）采用动态膜替代传统的超滤或微滤膜，具有降低膜组件成本、提高膜通量以及增强抗污染能力等显著优势[9]。动态膜的效能取决于污染层的结构良好性；然而，污染物在膜表面的过度积聚会导致污染层趋于厚实且致密，进而损害系统的长期稳定性[10‒11]。污染层的过度生长会导致污染阻力增加和膜通量降低。因此，维持动态污染层的最佳厚度或管理其平衡生长对于确保膜过滤的高效运行至关重要。

近十年来，将电场集成到膜生物反应器（MBRs）中已被视为一种抑制膜污染的创新策略。该方法利用电化学氧化、电渗析、电排斥和电泳等机制来解决污染问题[12‒14]。然而，电场在动态膜过滤系统中的应用价值尚未得到充分挖掘。鉴于动态膜（DMs）的理化特性以及电场在控制膜污染方面的优势，本研究提出通过引入电场来强化动态膜的生长调控与功能表达。具体而言，假设施加电场不仅能诱导动态污染层实现“平衡生长”，还能深度调节微生物代谢途径并改善生物质特性[15‒16]，从而协同优化DMs的截留性能与形成过程。基于此，本文开发了电活性生物过滤动态膜（EBDM）技术。这一策略在缓解膜污染及提升系统综合效能方面展现出巨大潜力，有望推动废水处理工艺的升级转型。目前，关于电场驱动下EBDM的形成机制及其对系统性能的影响规律仍知之甚少。

在本研究中，我们建立了一个厌氧电化学动态膜生物反应器，以深入探究EBDM系统的生长动力学和微生物代谢机制。本研究的主要目标包括：①揭示在电场作用下EBDM的形成机制；②评估在长期运行期间电活性特征与生物过滤能力；③评估其在减轻膜污染、提高出水质量和提升甲烷（CH4）产率方面的效能。本研究表明，电场的引入能够有效促进EBDM的形成，这可能为构建新型污水资源化处理工艺提供重要的理论依据与技术支撑。

2 材料与方法

2.1 实验设置与操作条件

两个实验室规模的厌氧动态膜生物反应器（每个的有效体积为1.5 L），用于处理模拟废水。两台装置分别为：施加电压运行的电化学厌氧动态膜生物反应器（E-AnDMBR），以及不施加电压运行的对照组厌氧动态膜生物反应器（C-AnDMBR）。在膜组件框架上，覆盖了一层厚度为2 mm的碳纤维毡，其外层包覆有孔径约为20 μm的聚酯网，用以支撑动态膜的形成。阳极采用钛网与碳纤维毡组装而成，放置在距动态膜组件（尺寸为13 cm×9.5 cm）1.5 cm处并与其正对。阳极与阴极动态膜连接至直流（DC）电源（UPT1305, UNIT，中国），电压设置为0.6 V。膜通量为15 L·m-2·h-1，跨膜压差（TMP）通过数字压力计（YB80A, XSENR，中国）进行实时监测。为增强混合效果，在反应器底部安装了一个生物气曝气扩散器，以0.1 m3·m-2·h-1的速率运行。E-AnDMBR 和 C-AnDMBR的水力停留时间（HRT）均为 40 h，反应温度通过循环水浴（SC-6，江苏天翎仪器有限公司）维持在(37±0.5) ℃。模拟废水的组成、物理和化学指标以及微量元素含量见附录A中的表S1至表S3。

2.2 分析方法

化学需氧量（COD）通过美国公共卫生协会（APHA; 1998）制定的标准方法测定[17]。蛋白质和多糖的浓度分别采用改良的Lowry-Folin法和Dubois法测定，具体方法见Xu等[18]的研究。采用热提取技术从生物质中提取胞外聚合物（EPS）（附录A中的文本S1）。污染层的电导率通过三探针电导率测量法进行评估[19]。使用配备热导检测器的气相色谱仪（6890 N, Agilent，美国）检测生物气的组成，而渗透液的浊度则通过浊度计（2100P, HACH，美国）测定。pH值和氧化还原电位（ORP）通过pH/ORP计进行测量。通过三维激发-发射矩阵（3D-EEM）荧光光谱仪（Aqualog, Horiba，日本）分析EPS的特性。生物质的粒径分布（PSD）和黏度分别通过激光粒度分布分析仪（Mastersizer 3000, Malvern，英国）和数字黏度计（NDJ-5S，力辰科技，中国）进行评估。生物质的Zeta电位和毛细管吸水时间（CST）分别通过Zetasizer Nano ZS（Malvern Instruments Ltd.，英国）和便携式304B测试仪（Triton，英国）进行测量。

混合液中的颗粒带负电荷，在电场作用下受到电泳排斥力，可被驱离阴极动态膜表面。因此，这种排斥力具有与反冲洗相似的效果[5]。由电场诱导的带电颗粒速度所引起的等效反冲洗通量，通过Smoluchowski动力学方程[式（1）~（3）] [20]计算得出：

E=ΔUd
vp=ε⋅ξμE
Jbackwash=QpA⋅vp

式中，E为电场强度（V·m-1）；ΔU为施加电压（V）；d为电极间距离（m）；vp为带电粒子的电泳速度（m·s-1）；ε为电解质常数；ζ为Zeta电位（V）；Jbackwash为等效反冲洗通量[L·(m2·h)-1]；Qp为输水带电粒子的流速（m3·s-1）；A为有效膜面积（m2）。

2.3 生物质聚集过程的时间分辨分析

采用多重光散射光谱法（MLiSSP; Turbiscan Tower, Formulaction，法国）观察生物质的实时聚集行为。该方法能够自动监测透射光和背散射光的变化，从而深入了解生物质的聚集动力学[21]。通过公式（4）计算平均透射信号变化率（ΔTrans/Δt），以评估聚集动力学。进一步通过公式（5）计算生物质的Turbiscan稳定性指数（TSI）。

ΔTransΔt=∑HiHnTrans(t+Δt,H)-Trans(t,H)ΔtHn-Hi
TSI=∑i=1n(xi-x¯)2n-1

式中，Δt表示数据采集间隔；Trans(t+Δt,H)和Trans(t,H)分别表示在时间t+Δt和t时测得的高度H处的透射信号强度。高度范围由下界Hi 和上界Hn 定义（在本研究中为15~35 mm），xi 表示平均背散射值，i∈N+，x¯表示平均xi，n为扫描次数。

2.4 污染层的形貌表征

使用傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪（Nicolet iS 10, Thermo Fisher Scientific，美国）鉴定污染层的主要官能团[22]。使用扫描电子显微镜（SEM, Hitachi Su 8000，日本）观察EBDM的微观形貌。样品制备程序如下：①用0.1 mol·L-1磷酸盐缓冲液（PBS, pH 7.4）洗涤三次；②用2.5%戊二醛在4 ℃下固定4 h；③再次用PBS洗涤六次；④依次用浓度为50%、60%、70%、80%、90%、95%和100%的乙醇溶液进行脱水（每次15 min）；⑤空气干燥[23]。使用激光共聚焦扫描显微镜（Leica, TCS SP8，德国）分析膜表面生物污染物的空间分布[24]。使用ImageJ软件通过公式（6）计算活/死细胞、蛋白质和多糖的平均荧光强度（MFI）。

MFI=IntDenAs

式中，IntDen表示扫描模式内的累积荧光强度（a.u.）；As表示扫描模式内的面积（mm2）。

2.5 耗散型石英晶体微天平分析

采用耗散型石英晶体微天平（QCM-D）实时监测共振频率（Δf ）和能量耗散（ΔD）的响应，以表征沉积层的质量和黏弹性特性。利用QCM-D（E4，Q-Sense，瑞典哥德堡）考察胞外聚合物（EPS）在传感器芯片表面的吸附与解吸行为，以进一步阐明膜污染机制。根据Sauerbrey方程[25]，QCM-D检测到的频率变化（Δf ）与传感器表面的质量变化（Δm）直接相关。

Δm=-CfΔfr

式中，Δm表示吸附到芯片上沉积层的质量；r表示频段（r=3, 5, 7, 9, 11）；Δf表示频率偏移；Cf表示晶体的质量灵敏度常数。

2.6 宏基因组测序分析

分别采集了E-AnDMBR（混合液、阳极动态膜、阴极动态膜）和C-AnDMBR（混合液、动态膜）中的微生物样品进行宏基因组测序分析，每组样本均设有三个生物学重复。通过京都基因和基因组百科全书（KEGG）数据库对功能基因和代谢途径进行注释。有关宏基因组测序及生物信息学分析的详细步骤，可参见附录A中的文本S2。

3 结果与讨论

3.1 废水处理长期运行性能

图1（a）~（d）展示了两台反应器在240天运行期内的废水处理效果，突出了动态膜（DM）在提高渗透液质量方面的作用，尤其是在浊度降低方面。如图1（a）所示，两台反应器的出水浊度均迅速降低。通常认为，出水浊度低于5 NTU是动态膜有效形成的标志[26]。在整个研究过程中，两台反应器均能稳定产出高品质出水，浊度始终保持在2 NTU左右，表明大部分悬浮颗粒和胶体颗粒已被有效去除。此外，如图1（b）所示，两个反应器均实现了较高的COD去除率（> 93%）。具体而言，E-AnDMBR的平均出水COD浓度为(41.4 ± 6.7) mg·L-1，C-AnDMBR的平均出水COD浓度为(46.2 ± 6.8) mg·L-1。尽管两个系统均实现了较高的COD去除率，但E-AnDMBR在甲烷转化和膜污染缓解方面表现出更优异的性能，具体将在下文详细讨论。

如图1（c）所示，E-AnDMBR和C-AnDMBR系统中的pH值分别保持在(6.6±0.1)和(6.5±0.1)。此外，两个系统中的氧化还原电位（ORP）从-100 mV降至-250 mV，表明反应器内的厌氧条件得到了进一步增强[27]。如图1（d）所示，E-AnDMBR的甲烷产量为(127.5±9.3) mL CH4·g-1 CODre（每去除1 g化学需氧量产生的甲烷体积），而C-AnDMBR的甲烷产量为(118.9±7.7) mL CH4·g-1 CODre，表明甲烷产量提高了7.2%。

图1（d）插图中的形态学分析显示，阳极表面覆盖着大量杆状及球状菌，并在电极表面形成了粒径更大、密度更高的生物膜。同样，阴极表面也出现了密集堆积的功能性微生物团簇。这表明EBDM内部形成了电活性污染层，并受益于阴极电位诱导的代谢活性增强[28]。因此，观察到的甲烷生物转化和膜污染物的降解增强，可能归因于电活性污染层及阳极上的电活性细菌促进了胞外电子传递（EET）过程。此外，这一过程也可能与不同微生物群落之间合作互动及协同关系的增强有关[14]。

3.2 EBDM中生长平衡的特性

3.2.1 EBDM的防污性能

图2（a）展示了在240天运行期内，在恒定通量[15 L·(m2·h)-1]条件下，跨膜压（TMP）的变化趋势。在前125天内，C-AnDMBR的TMP从1.56 kPa缓慢上升至2.61 kPa。然后在第180天出现了显著激增，跃升至7.05 kPa，并于第240天进一步增加到7.80 kPa。相比之下，当对导电膜施加阴极电位时，EBDM系统表现出显著的膜污染缓解效果，进而实现了污染层的动态生长平衡[12]。该系统有效地保持了较低的膜污染水平；在240天的运行期间，TMP仅从初始值1.39 kPa逐渐升至2.49 kPa。

阴极电位诱导的电泳作用将混合液中带负电荷的污染物从膜表面推离，其效果类似于传统的反冲洗。根据Smoluchowski动力学方程的测定，E-AnDMBR中的等效反冲洗通量在(8.3±0.1)~(16.6±0.4) mL·m-2·h-1之间[图2（b）]。尽管与运行通量相比，该等效反冲洗通量相对较小，但其持续作用在减轻污染方面发挥了关键作用[5]。此外，电场的应用可能减少了蛋白质和多糖等污染物的积聚，这将在后续分析中讨论。与对照反应器相比，E-AnDMBR维持了稳定的跨膜压（TMP）曲线，实现了EBDM中的生长平衡。

3.2.2 EBDM的微观表征

为了探究阴极电位对膜污染的影响，本研究对EBDM进行了详细的微观分析。已知可溶性微生物产物（SMPs）和胞外聚合物（EPSs）会显著影响生物质特性及污染层的形成[29]。图3（a）显示，与E-AnDMBR相比，C-AnDMBR的膜表面表现出更致密的污染物积累，且存在明显的微生物集群、SMPs和EPSs。E-AnDMBR中观察到的抗污染增强效果归因于带负电荷的污染物在膜表面的沉积减少[30]。此外，外加电场可能促进了带电颗粒的极化，有助于降低污染层的密度[31]。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，聚酯网表面密集分布着污泥絮体、胶体颗粒和微生物聚集体，形成了一个动态滤饼层，作为EBDM中用于水净化的次级层[图3（b）]。在碳毡层内部，观察到大量污泥积聚并填充在碳纤维之间的间隙中，这表明在动态膜生物反应器（DM）的初始阶段，由聚酯网未完全截留的物质形成了额外的EBDM结构层[图3（c）]。碳纤维的横截面视图证实了EBDM内部存在这一附加层[图3（d）]。这一额外层的建立可能会增强系统对污染物的截留和生物降解能力[16]。

3.2.3 EBDM上生物污染的表征

为揭示有机污染物在EBDM中的空间分布，采用多重染色技术与激光共聚焦扫描显微镜（CLSM）相结合的方法，对污染层中的生物质及其代谢副产物进行了检测。三维重建图像显示，受污染的膜表面普遍存在细胞、蛋白质和多糖，且蛋白质和多糖在膜表面的生物集群中高度富集[图4（a）、（b）]。MFI与荧光化合物的浓度直接相关，可作为生物质和代谢产物积累的衡量指标[32]。与E-AnDMBR膜上的生物污染相比，C-AnDMBR膜上的生物污染导致更多的死细胞及更高浓度的蛋白质和多糖。E-AnDMBR膜上蛋白质和多糖的MFI值分别为(20.6±4.3) AU·mm-2和(20.2±2.0) AU·mm-2，低于C-AnDMBR膜[蛋白质为(29.3±1.8) AU·mm-2，多糖为(26.6±0.9) AU·mm-2]。在E-AnDMBR系统中，蛋白质和多糖的荧光强度分别减少了29.6%和24.8%。由于多糖具有较大的分子尺寸且具有凝胶化行为，因此是造成膜污染的关键因素[33]。此外，多糖还可与生物聚合物中的蛋白质进一步相互作用，形成具有更高污染潜势的非共价网络结构，从而加剧不可逆污染[34]。

此外，EBDM中活细胞的MFI比对照反应器的污染层高出26.5%。而且，E-AnDMBR中污染层的电导率[(5.65 ± 0.84) µS·cm-1]是C-AnDMBR中污染层电导率[(2.98 ± 0.96) µS·cm-1；附录A中的图S2]的1.87倍，这表明阴极电位在电活性污染层形成中起到了关键作用。其潜在机制包括带负电荷的污染物通过电泳排斥作用远离膜表面，以及电活性污染层的建立。这些电活性微生物能够提高污染物降解效率，并促进EBDM的平衡生长。

微生物聚集和污染层的形成受蛋白质二级结构的显著影响，尤其是与肽基中的C=O伸缩振动相对应的酰胺Ⅰ带（1700~1600 cm-1）[35]。图4（c）显示，在1600~1700 cm-1范围内与蛋白质中的酰胺Ⅰ相关的FTIR峰在C-AnDMBR中具有相对较高的透射率，表明污染层可能含有较高的蛋白质含量。蛋白质二级结构包括聚集链、β折叠、α螺旋、3-转角螺旋和反平行β折叠/聚集的链[36]。α螺旋结构可能促进微生物团簇的聚集、附着和堆积，而β折叠结构则可能抑制这一过程[35]。反平行β折叠的存在可以减少细胞间聚集，如E-AnDMBR中的污染层所示，其反平行β折叠的比例（33.8% ± 8.0%）高于C-AnDMBR [27.6% ± 2.2%；图4（d）~（e）]。

此外，α螺旋与（β折叠+无规卷曲）的比值是蛋白质构象的关键指标，较高的比值通常意味着蛋白质结构更加致密[37]。α螺旋/（β折叠+无规卷曲）比值的增加表明凝胶层内氢键作用增强，这可能导致形成更致密的污染层[38]。表1显示，E-AnDMBR中的生长平衡污染层表现出较松散的蛋白质结构，其α螺旋/（β折叠+无规卷曲）比值低于C-AnDMBR，从而证实了E-AnDMBR的抗污染能力。

3.3 生物量特征对EBDM结垢行为的影响

探索生物质的物理化学特性有助于深入理解EBDM缓解膜污染及实现生长平衡的策略。图5（a）对比了C-AnDMBR和E-AnDMBR中生物质的Zeta电位、平均粒径、黏度和CST值。E-AnDMBR中污泥的Zeta电位[(-25.8 ± 2.9) mV]比C-AnDMBR中[(-29.4 ± 3.1) mV]更负，表明生物质颗粒间的静电排斥力减弱，絮凝性能增强[19]。粒径分布（PSD）分析显示，电场的施加成功增大了污泥絮体尺寸，导致平均粒径增大[E-AnDMBR中为(68.0 ± 6.9) µm，而C-AnDMBR中为(62.2 ± 6.0) µm]。此外，在电场作用下，生物质的黏度有所降低，E-AnDMBR中的黏度为(211.3 ± 21.7) mPa·s，而C-AnDMBR中的黏度为(238.2 ± 28.2) mPa·s。相应地，E-AnDMBR中生物质的CST值比C-AnDMBR低16.4%。生物质特性的改变降低了其污染潜势，且有利于形成疏松多孔的污染层[31,39‒40]。

通过MLiSSP分析进一步探讨了生物质的动态聚集行为。图5（b）展示了生物质的透射光谱、透射率变化率（ΔTrans/Δt）以及Turbiscan稳定性指数（TSI）。在E-AnDMBR中，生物质的透射曲线显示出明显的波动，表明电场增强了生物质的絮凝动力学[41]。值得注意的是，在15 min内，E-AnDMBR中生物质的ΔTrans/Δt高于C-AnDMBR中观察到的值[42]。TSI指数进一步表明，C-AnDMBR中的生物质表现出更高的物理稳定性，这可能导致更严重的膜污染。

微生物产生的胞外聚合物（EPS）是导致膜污染的重要因素[43]。根据荧光光谱特征，胞外聚合物中的有机化合物可分为五个光谱区域，分别标记为Ⅰ~Ⅴ。这些区域分别与类酪氨酸、类色氨酸、类富里酸、类可溶性微生物产物（SMP）和类腐殖质物质相关。图5（c）显示，在区域Ⅱ和Ⅳ中，各种胞外聚合物层的荧光强度较高，表明类色氨酸和类可溶性微生物产物的含量较高。C-AnDMBR中的胞外聚合物荧光强度普遍高于E-AnDMBR。具体而言，C-AnDMBR中的可溶性胞外聚合物（S-EPS）、松散结合型胞外聚合物（LB-EPS）和紧密结合型胞外聚合物（TB-EPS）的浓度分别为(5.7±2.1)、(3.4±1.6)和(6.5±3.1) mg·g-1 VSS。相比之下，E-AnDMBR中的浓度较低，分别为(4.2±2.3)、(2.8±1.5)和(5.1±2.0) mg·g-1 VSS。因此，施加电场能有效降低EPS浓度，从而缓解由其引起的膜污染[44]。

此外，在C-AnDMBR中，三类胞外聚合物类型的多糖与蛋白质比值（EPSc/EPSp）分别为1.35、1.26和0.85，显著高于E-AnDMBR中的相应值（分别为1.17、1.05和0.82）。EPSc/EPSp值升高往往会在膜表面形成更具黏附性的污染层，从而导致过滤阻力增加[15]，这凸显了电场在管理膜污染动态方面的优异性能。

3.4 污染层中黏附生物分子的黏附性和刚性特性

为阐明黏附生物分子形成生长平衡污染层的内在机制，采用QCM-D定量分析了这些黏附性生物分子的黏附、积累及流变特性。图6（a）~（d）展示了S-EPS、LB-EPS和TB-EPS的Δf和ΔD测量结果。|Δf |值越高，表示生物质的吸附能力和黏附力越强[45]。C-AnDMBR中各种EPS层的|Δf |值均大于E-AnDMBR中的值，表明C-AnDMBR中的生物质更易形成污染层。此外，在C-AnDMBR中，EPS的|Δf |值遵循TB-EPS > S-EPS > LB-EPS的顺序，这意味着TB-EPS和S-EPS可能导致更严重的膜污染[46]。具体而言，根据Sauerbrey方程，C-AnDMBR中S-EPS、LB-EPS和TB-EPS的沉积量分别为(166.0 ± 0.6) ng·cm-2、(134.3 ± 0.1) ng·cm-2和(201.7 ± 1.8) ng·cm-2，显著高于E-AnDMBR中的沉积量[分别为(49.9 ± 0.9) ng·cm-2、(122.8 ± 0.2) ng·cm-2和(139.3 ± 0.7) ng·cm-2]。图6（e）~（f）进一步展示了不同EPS层的|ΔD/Δf |值，其中，|ΔD/Δf |表示吸附层的黏弹性特征。C-AnDMBR中EPS的|ΔD/Δf |值低于E-AnDMBR中的值，尤其是S-EPS，这表明C-AnDMBR中的EPS组分更易形成致密且刚性的污染层[13]。此外，E-AnDMBR中|ΔD/Δf |值较高，表明施加电场可促进电场辅助EBDM形成相对疏松的电活性污染层结构。QCM-D结果证实，施加电场可减轻生物分子的吸附，从而减少污染层的厚度，缓解膜污染，并维持EBDM的生长平衡。

3.5 EBDM系统代谢途径的演变

污染层的代谢特性是膜污染行为的关键因素[47]。图7（a）~（b）展示了E-AnDMBR中混合液、阳极和电活性污染层以及C-AnDMBR中混合液和污染层在门和属水平上的细菌群落分布。与C-AnDMBR相比，E-AnDMBR中变形菌门（19.3%）、绿弯菌门（18.2%）和放线菌门（6.5%）的相对丰度分别显著增加了12.7%、21.8%和23.0%。在属水平上，电活性污染层中Mesotoga的富集量是C-AnDMBR中污染层的8.1倍。Mesotoga与水解和酸化过程密切相关，表明其具有在电活性污染层中降解有机污染物的潜力。值得注意的是，电场显著诱导了阳极上地杆菌（Geobacter）的富集，其相对丰度增加到8.4%，远高于其他样品（范围为0.02%~0.32%）。地杆菌物种因其能够降低活化能垒并促进向甲烷菌（如甲烷丝菌和甲烷八叠球菌）的直接电子传递而闻名，它们通过使用导电菌毛（e-pili）或细胞色素c进行细胞外呼吸来增加甲烷产量[48]。此外，在E-AnDMBR的电活性污染层中，产氢细菌，特别是Anaerolineae（11.9%）显著富集，表明形成了H2介导的互营共生群落。相比之下，对照反应器的滤饼层中功能微生物的丰度并未增加，这表明连续电刺激重塑了动态污染层的微生态位[16]。

对于古菌群落，Euryarchaeota和Archaea构成了两个系统中主要的古菌门类[图7（c）、（d）]。两台反应器混合液中的优势古菌属均为Methanothrix（原名Methanosaeta）和Methanoregulaceae。在E-AnDMBR的混合液中，Methanothrix所占比例较大，为41.1%，而C-AnDMBR中为34.0%。作为乙酸营养型产甲烷菌，Methanothrix通过DIET与Geobacter发挥协同作用，即Geobacter通过e-pili向Methanothrix提供电子，将二氧化碳转化为甲烷[49]。Methanothrix的富集表明，电场的应用增强了混合液中的乙酸营养型产甲烷途径。相反，在电活性污染层中，氢营养型甲烷杆菌（Methanobacterium）成为代谢活性最高的产甲烷菌，所占比例显著增大，达到50.5%，而阳极处为17.5%，其他样品中仅为1.1%~3.3%。这种分布特征表明，产甲烷途径已向氢营养型产甲烷显著演变，且这一现象在EBDM中尤为明显。

为了进一步探索EBDM的代谢特征，研究了主要的产甲烷代谢途径（即M00567、M00357、M00356和M00563）及其相关的酶编码基因。如附录A中的图S1所示，EBDM在这些代谢途径中的相对丰度最高，凸显了在阴极电位驱动下，E-AnDMBR中的EBDM具有高度的电活性。值得注意的是，EBDM中M00357（乙酸脱羧）和M00567（二氧化碳还原）的比例显著高于C-AnDMBR中污染层的比例（分别为12.6% vs 9.6%和11.5% vs 6.7%），表明乙酸营养型和氢营养型途径均得到了增强。

图7（e）展示了乙酸营养型产甲烷途径在混合液、EBDM和对照组污染层中均占主导地位，相关基因的占比在0.19%~0.21%之间。宏基因组测序进一步揭示，EBDM中二氧化碳还原和甲基营养途径显著增强，其基因丰度高于对照组污染层（分别为0.11% vs 0.06%和0.13% vs 0.07%）。此外，EBDM中参与氢营养途径（M00567）的关键酶，包括甲酰产甲烷呋喃脱氢酶[EC: 1.2.7.12]、四氢甲烷蝶呤甲基转移酶[EC: 2.1.1.86]、甲酰甲烷呋喃-四氢甲蝶呤N-甲酰基转移酶[EC: 2.3.1.101]、甲烯基四氢甲蝶呤环水解酶[EC: 3.5.4.27]和辅酶F420氢化酶[EC: 1.2.98.1]，其相对丰度均高于对照组污染层（0.23% vs 0.11%，P < 0.01）。这些发现表明，电场的应用改变了与EBDM相关的代谢途径，进而激发了EBDM的电化学活性，并强化了污染物的降解。因此，E-AnDMBR 能更有效地控制污染层性质，实现 EBDM 的生长平衡。

基于上述结果，图8（a）展示了一个高效结构化、生长平衡的EBDM示意图。与图8（b）所示的对照组致密污染层截然不同，EBDM拥有更多的活细胞以及更少的蛋白质和多糖生物团簇。此外，电场促进了生物质特征[如Zeta电位、粒径分布、絮凝能力和胞外聚合物（EPS）分布]的优化，这些特征都在降低膜污染程度方面发挥了积极作用。同时，阴极电位显著影响了生物膜的代谢行为，特别是强化了氢营养型代谢。综上所述，通过在AnDMBR中集成阴极电位，本研究构建了一种电活性动态膜，显著提高了废水处理的效率。本研究强调了将电场与AnDMBR 技术结合构建EBDM系统在提升处理效率和污染控制方面的巨大潜力。相关发现有助于深入理解电场与电活性生物膜之间的相互作用，为提升废水处理系统中的膜性能和工艺可持续性提供了一种极具前景的工程解决方案。

4 结论

本研究构建了一种新型电活性生物过滤动态膜（EBDM）系统，旨在强化废水处理并抑制膜污染。通过在生物反应器中集成阴极电位，系统成功构建了具有自调节特性的电活性动态层。在连续240天的运行中，EBDM表现出优异的抗污染性能，出水水质稳定（COD去除率达93%以上，浊度约为2 NTU）。同时，甲烷产率提升了7.2%，实现了废水处理与能源回收的双重增效。机理研究表明，EBDM作为一种高效的生物过滤结构，具备有序过滤的多级互联动态膜结构；外加电场通过调控生物质理化性质，显著降低了污染潜势并诱导形成了疏松的污染层。综上所述，EBDM策略凭借其独特的电活性多级结构，在污染控制、水质净化及能源回收方面展现出显著优势，为未来废水处理工程提供了极具前景的解决方案。

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