Technical research progress of controlling reverse solute flux and membrane fouling in osmotic microbial fuel cell
-
摘要:
正渗透微生物燃料电池（OsMFC）采用正渗透（FO）膜代替传统微生物燃料电池（MFC）中的质子交换膜，可以在回收生物电的同时借助FO膜对原料液即阳极污水进行处理并提取高质量水，该技术受到广泛关注。与传统MFC相比，OsMFC在产电性能和出水水质方面均有提升。但是，FO膜的引入使得OsMFC系统反向溶质扩散和膜污染等问题十分突出，进而导致FO膜的水通量降低，OsMFC的产电和产水性能下降，限制了OsMFC的发展和应用。随着近年来材料和生物等领域的不断发展，上述问题可以通过合理的技术手段解决。从优化OsMFC性能出发，重点从反向溶质通量（RSF）控制和膜污染控制2个方面对近几年的研究进行分析和总结，主要包括通过膜材料的选择、汲取液的选择和OsMFC系统内产电对RSF进行抑制，以及通过膜污染形成机制、膜污染的技术调控、膜污染清洗、膜材料的改性和阳极微生物的筛选与培养对膜污染进行控制，并对未来OsMFC的RSF和膜污染的控制技术进行了展望。
-
关键词:
- 正渗透微生物燃料电池(OsMFC) /
- 反向溶质通量(RSF) /
- 汲取液 /
- 膜污染 /
- 正渗透（FO）膜 /
- 产电 /
- 膜材料
Abstract:Forward osmosis microbial fuel cell (OsMFC) uses forward osmosis (FO) membrane to replace the proton exchange membrane in traditional microbial fuel cell (MFC), which can be used to treat the feed solution, i. e. anode sewage, and extract high quality water while recovering the bioelectricity. This technology attracts more and more attention. Compared with traditional MFC, OsMFC has been improved in electricity generation performance and effluent quality. However, the introduction of FO membrane makes the problems of reverse solute flux (RSF) and membrane fouling in OsMFC very prominent, which leads to the reduction of water flux of FO membrane, the degradation of OsMFC's electrical and water production performance, and limits the development and application of OsMFC. With the continuous development of materials and biology in recent years, the above problems can be solved by reasonable technical means. To optimize the performance of OsMFC, this paper focuses on the control of RSF and membrane fouling. It mainly included the inhibition of RSF through the selection of membrane materials, the selection of draw solutions and the electricity generation in OsMFC, as well as the control of membrane fouling by studying the formation mechanism of membrane fouling, the technical regulation of membrane fouling, membrane fouling cleaning, the membrane modification and the screening and cultivation of anode microorganisms. Finally, the technical developments for controlling RSF and membrane fouling in OsMFC in the future were prospected.
-
随着国家经济转型战略的不断推进，“节能减排”“零排放”等环保要求不断提高，能耗更低、水质更优且回收率更高的水回用技术亟须发展。正渗透（FO）技术以选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水的膜分离过程，具有能耗低、膜污染小、水回收率高等优点，受到国内外学者的广泛关注。由于FO的技术优势，研究者们将FO膜引入微生物燃料电池（MFC），研发了正渗透微生物燃料电池（OsMFC）。
OsMFC中FO与MFC的耦合方式是采用FO膜代替MFC中的质子交换膜，以阳极产电微生物作为催化剂，将有机物分解过程中产生的化学能转换为电能，电子由阳极室流出，沿外电路流入阴极室形成电流，同时水分子和质子在两室间的渗透压差作用下由阳极室穿过FO膜进入阴极室完成电池反应[1]，在同一系统中同时实现废水处理和生物电回收。OsMFC基本原理如图1所示。
OsMFC系统与MFC系统相比，产电性能和出水水质均得到提升，同时也能回收富集营养物质[1-3]。目前，OsMFC性能主要受反向溶质扩散和膜污染等因素的影响，笔者基于近年来在OsMFC运行效果方面取得的研究进展以及当前提高OsMFC性能所面临的问题，重点围绕反向溶质通量（RSF）及膜污染控制 2个方面进行探讨，并指出未来的研究方向及重点，以期为高效OsMFC系统的建立提供支持，推动OsMFC技术的发展。
1. OsMFC中反向溶质扩散的控制策略
FO膜属于非对称膜结构，由多孔支撑层和致密活性层组成，二者材料和孔径均不相同。由于FO膜对溶质并不能达到完全截留，在膜两侧的原料液和汲取液溶质浓度差的作用下，汲取液中的溶质由于扩散作用穿过FO膜反向渗透进入原料液中，从而产生反向溶质通量或盐反向渗透扩散现象（图2）[4-5]。RSF是FO技术不可避免的缺陷，会导致原料液化学性质改变、水渗透的驱动力降低、汲取液溶质损失、膜通量下降、微生物活性降低或死亡、膜污染加剧并增加操作成本等一系列问题[6-11]。降低RSF的方式可以从膜材料的选择、汲取液的选择以及OsMFC系统内产电对RSF的抑制等方面入手。
![]()
图 2 RSF基本原理（以活性层朝向汲取液为例）Figure 2. Basic principle of RSF (taking the active layer facing the draw solution as an example)1.1 膜材料的选择
FO膜材料的种类、结构不同，相对应的膜孔径、膜通量等指标也不同，会极大地影响系统中水分子、质子和汲取液溶质等物质的跨膜扩散，进而导致系统产电、产水性能差异。因此，可以从选择合适的FO膜的膜材料和膜工艺入手，以获得更高的水通量和更低的RSF，从而提高OsMFC的性能。
研究表明，醋酸纤维素聚酯网（CTA-ES）膜具有低内阻和高微生物丰富度，同时对氧的渗透性较差，可以获得较好的产电性能，其作为OsMFC系统中的FO膜性能较佳，具有较好的应用前景[12-13]。但在一系列FO膜性能测试中，其他材料的FO膜却表现出了比CTA-ES膜更优异的性能：聚酰胺膜在RSF、水通量、质子传递能力等方面均具有优势；薄膜复合（TFC）膜具有更低的RSF和更高的水通量[14]，更好的pH稳定性、抗水解和生物降解性[15-16]；聚多巴胺膜具有非常低的RSF[17]。这就有待更多研究深入考察各项膜性能指标中影响OsMFC系统性能的主要因素，同时随着膜科学技术的不断发展，开发性能更加优越、经济可行的FO膜以抑制RSF是未来FO膜材料研究的热点。
现有研究中运行的OsMFC大多采用商业化的FO膜，但是OsMFC系统内环境与FO存在较大差异，当膜两侧渗透压差降低以及发生严重的生物污染时，OsMFC中所使用的商业化FO膜通量衰减加快。同时，由于OsMFC中阴极反应和阳极反应的进行，FO膜两侧pH也出现较大变化，这就使得OsMFC对于FO膜的化学稳定性要求比传统FO工艺高。此外，现有的商业化FO膜对于质子的选择性较差，主要依靠水的跨膜运动实现质子的跨膜传输，但是随着渗透压差降低，质子传输速率也大大降低。综上所述，目前OsMFC对于商业化的FO膜依赖性较强，下一步仍需开发更多适宜于OsMFC系统的FO膜，不断提高系统的产水、产电性能，实现OsMFC效能的最大化。
1.2 汲取液/阴极液的选择
汲取液的选择对OsMFC的运行非常重要，理想的汲取液应该具有高渗透压、高溶解性、高电导率等特性[18-22]，从而有利于产水和产电。除此之外，低毒性、低污染以及经济可行性也是不可缺少的要素。合适的汲取液能提高体系性能，增加产电和产水效率，降低运行成本和能耗。如表1所示，目前报道中使用较多的汲取液为NaCl，其具有来源广泛、获取简单的优势。汲取液中的溶质反渗到阳极一侧会对产电微生物产生危害，因此研究对阳极产电菌无毒无害、低RSF的汲取液十分重要。此外，若汲取液成分可被阳极微生物利用或是作为有利于阳极运行的因素，将RSF转变成有利条件，是OsMFC技术扬长避短的又一着力点。
表 1 已有研究中OsMFC的参数与性能总结Table 1. Summary of parameters and performance of OsMFC in existing research results研究开展年份 汲取液种类 外部电阻/Ω 电流密度/
（A/m3）最大输出功率/
（W/m3）数据
来源2011 NaCl（58 g/L） 10 30.0 4.74 文献[1] 海水（35 g/L） 10 17.3 2.39 文献[1] 2013 NaCl（35 g/L） 100 0.1 43.00 文献[23] NaCl（2 mol/L） 10 37.0 4.50 文献[24] 2014 NaCl（2 mol/L） 50 139.5 27.38 文献[25] 2015 NaCl（1 mol/L） 100 11.70 文献[26] 2018 K2SO4（0.5 mol/L） 10 24.7 文献[27] 2019 EDTA-Na2(0.2 mol/L) 10 22.5 文献[28] NaCl（0.185 mol/L） 10 23.6 文献[28] 2020 NaCl（1 mol/L） 500 3.70 文献[29] PBS（1 mol/L） 10 73.3 文献[30] NaCl（1 mol/L） 10 49.7 文献[30] 2021 NaCl（0.25 mol/L） 5 0.10 文献[31] NaCl（35 g/L） 100 3.40 文献[32] NH4HCO3(1 mol/L) 5 402.0 文献[33] 2022 NaCl（35 g/L）+
NaHCO3（1 g/L）250 11.10 文献[34] 1.2.1 无机化合物溶液作为汲取液
大多数有机化合物导电能力都不强，例如葡萄糖，虽然具有一定的汲水能力，但是其导电性很差导致OsMFC体系内无电流产生[19]，因此不适合作为OsMFC系统的汲取液。而无机化合物作为汲取液可以提供很高的渗透压，有较为理想的汲水能力，同时导电性良好。钠系和钾系汲取液在产电能力和汲水能力方面都表现出了理想的效果[27]，RSF较低且对OsMFC运行的负面影响较小，是目前应用较多的汲取液。研究表明，磷酸钾缓冲（PPB）溶液表现出良好的产电和汲水效果[19]，但PPB成本较NaCl高，经济可行性较差。镁系、钙系溶液汲水效果差，并且FO技术研究的相关报道表明，Ca2+可能反渗到阳极室，并与阳极电解液中的磷酸盐或碳酸盐结合形成沉淀[35]。此外，铵系汲取液中的NH4 +会由于pH变化转变为NH3随曝气逸出而流失[36]，同时铵系汲取液过高的RSF也会导致溶质损失并且反渗的NH3会对阳极产电微生物产生毒性作用[37]，从而影响系统产电性能。
因此，若选择无机化合物溶液作为OsMFC的汲取液，钠系和钾系溶液是较为合适的选择。Zhang等[1]使用人造海水作汲取液，验证了OsMFC同时完成废水处理、水提取和产电的可行性，Sevda等[38]采用真实海水作阴极液，得到相同的结果。若使用海水作为汲取液，既可以节省购买汲取液的费用，稀释后的汲取液可以经过简单处理后排入大海，又可以节省后续的处理成本，因此可以积极探索使用海水作为汲取液，不断降低运行成本，提高系统应用的可行性。
1.2.2 利用汲取液构建缓冲体系
RSF是膜技术中无法避免的一大缺陷，也是OsMFC技术应用所面临的挑战之一。RSF是无法完全消除的，因此将RSF的负面效应转变为系统运行的有利因素，进而提高系统运行稳定性和性能是今后开展研究的新思路。
H2CO3、HCO3 −和CO3 2−是理想的缓冲物质，可以对阳极、阴极液的pH变化起到缓冲作用，提高OsMFC运行的稳定性。Chen等[39]利用阳极代谢终产物无机碳（IC）作为缓冲物质提高系统的自缓冲能力，但仅靠内源IC无法起到较好的缓冲作用，因此需要采取一定的措施，如电解液再循环[39-40]、外加缓冲溶液等，这就会导致运行成本增加。Wu等[41]利用NaHCO3溶液作为OsMFC汲取液，利用其较高的RSF特性将反渗的HCO3 −用于缓冲阳极液降低的pH。NaHCO3汲取液在OsMFC系统中，既对阳极有缓冲作用，又对阴极有缓冲作用，在阳极构建了H2CO3-HCO3 −缓冲体系，在阴极构建了HCO3 −-CO3 2−缓冲体系，既增强了OsMFC的产电效能，又避免向阳极添加缓冲溶液，节约运行成本。磷酸盐缓冲溶液也具有较好的缓冲效果和产电效果[42-45]，但是其成本较高，此外由RSF引起的富营养化会增加出水后续处理步骤[41,46]，因此其不适合作为缓冲物质。日后的相关研究可以不断尝试继续开发缓冲效果好、经济可行性高、绿色环保的缓冲汲取液，充分利用无法绝对消除的RSF，将其转化为对OsMFC系统有利的因素是未来开展OsMFC相关研究的新思路。
1.2.3 具有pH响应特性的汲取液
OsMFC系统内部发生的一系列电化学反应会导致溶液pH发生变化，选择合适的pH响应汲取液可以将系统pH变化这一缺点转变为运行过程的有利因素。此外，这类汲取液便于回收的特性也将由RSF所引起的阴极液溶质损失降到了最低，在很大程度上实现了系统的可持续运行。性能良好的pH响应汲取液应具备以下特点：首先，其应该具有良好的缓冲能力以调节溶液pH变化，提高系统稳定性；其次，可通过pH调控其溶解性，以实现汲取液的回收以及体系可持续运行。
聚丙烯酸（PAA）是商业化的pH响应汲取溶质[47-49]，其具有很高的亲水性和渗透压[50]。当pH较低时，其会与各种非离子聚合物结合并产生疏水作用，进而与水分离得到回收，同时缓冲阴极pH变化。此外，PAA具有可生物降解性，可作为微生物底物[51]。Yang等[52]以PAA-Na作为OsMFC系统的汲取液，发现可以产生很高的水通量和产电量，同时RSF很低，回收后的PAA-Na性能与回收前相当甚至有所提升，相关研究[51]也证明了PAA作为渗透膜生物反应器汲取液并被回收利用的可行性。
乙二胺四乙酸（EDTA）在酸性条件下会形成沉淀，这种pH响应特性使得其仅通过简单的酸碱调节即可实现分离和回收，相关研究[53-57]已表明EDTA作为FO技术汲取液对于RSF以及膜污染具有抑制作用。在OsMFC系统中，增加的pH可以促进带负电的EDTA的形成，其与阳离子之间的静电力作用能够降低阳离子的RSF。另外，EDTA的分子尺寸较NaCl更大，所以理论上RSF小。在膜污染方面，EDTA能够通过掩蔽钙离子而降低结垢反应。一定条件下，EDTA可作为碳源而被降解[58-59]。EDTA可作为电子中介体加快电子迁移速度从而增强产电能力，但是其金属螯合作用可能会腐蚀阴极材料从而产生消极影响[60]。Wang等[28]采用EDTA-Na2作为OsMFC系统的汲取液，其产电量与NaCl汲取液相当，但水渗透通量更稳定，pH范围也更利于FO膜的运行。
PAA-Na以及EDTA-Na2作汲取液的性能如表2所示。总的来说，pH响应汲取液是一类非常有潜质的OsMFC汲取液/阴极液溶质，具有高水通量和低RSF，能够提高系统运行稳定性以及经济可行性，但是与常用的无机汲取液相比，其产电性能略有降低，尚存在一定的缺陷，仍需进一步研究其对OsMFC的产电性能产生消极影响的机理以及优化措施以最大程度提高系统性能，同时开发性能更加优越的pH响应汲取液也十分必要。
表 2 PAA-Na和EDTA-Na2与常规汲取液的性能对比Table 2. Comparison of performance of PAA-Na and EDTA-Na2 with conventional draw solutions1.3 OsMFC自身产电对RSF的抑制作用
电流的产生可以有效抑制阳离子的反渗透，可能是因为在闭路循环中电子流动方向是在外电路由阳极电极流经电阻传递到阴极电极上，这就导致体系内的阳离子(例如Na+和K+)在内电路具有向阴极室迁移的趋势，因此阻碍了阴极液中的阳离子跨膜迁移从而抑制RSF。与系统内无电流相比，这种电动迁移的参与可以有效降低阳离子的RSF。
由于阳极不断向外电路传输电子，这就需要其他电子进行补充，阳极则会对阴离子产生曳引效应，电动迁移会促进阴离子由阴极液向阳极液的反向迁移。然而，FO膜会对阴离子产生截留和排斥作用。此外，在阴极对阳离子的曳引效应下，阴极液为了保持电中性从而对阴离子产生吸引力，这就会抵消一部分阴极对阴离子的排斥效应[61]。因此，在电流、FO膜和电中性平衡的协同作用下，阴离子的RSF在很大程度上受到了抑制。
综上，与开路相比，闭路状态下系统自身产电对汲取液的阳离子和阴离子均具有明显的抑制作用，相关研究[62-63]也证实了这一结论，因此在理论上任何能够增强系统产电的手段对RSF都能够起到一定的抑制作用。OsMFC技术是MFC技术和FO技术的耦合，利用MFC的产电性能能够克服FO技术中的RSF难题，微电场也会减弱膜污染的不利影响[64]，所以OsMFC可以实现二者的优势互补，进一步研究OsMFC产电性能对RSF的抑制以及对系统整体性能的提升具有十分重要的意义。
2. OsMFC中膜污染的形成机制与控制策略
在膜分离工艺过程中，膜污染是不可避免的，膜污染影响着膜的分离性能以及膜的使用寿命，直接关系到工艺的运行效果。虽然与其他以压力作为驱动力的膜分离过程中存在的膜污染相比，FO膜的污染趋势极低[65]。但是，FO过程仍然存在膜污染，并导致FO膜通量下降[66]。FO膜污染按照污染物的种类可大致分为无机污染、有机污染和生物污染[24,67]。无机污染指溶解性无机物在膜表面沉积或结晶，有机污染主要是由于高分子有机化合物沉积并吸附在膜表面，生物污染是由于微生物黏附在膜表面并逐渐形成生物膜。在实际的污水体系中，膜污染通常是由这三者形成的复合膜污染。
OsMFC系统中膜污染的控制可以从研究膜污染形成机制、膜污染的技术调控、膜污染清洗、膜材料的改性以及阳极微生物的筛选与培养等方面入手。
2.1 膜污染形成机制
目前FO膜的结垢机理特别是OsMFC中生物污染的发展尚不清楚，污水成分、处理方法等不同，膜污染的组成也存在较大差异。Lu等[68]发现，OsMFC膜表面具有无机、有机和生物污染，其中生物污染的贡献最大，共聚焦激光扫描显微镜分析结果表明其成分为总细胞以及由蛋白质和β-D-吡喃多糖[11,26,69-70]等组成的胞外聚合物（EPS）。阳极一侧的膜污染主要以微生物和EPS组成的生物污染为主，阴极一侧则以非生物结垢为主[24]，阳离子可能从进料液迁移到膜中与磷酸盐、碳酸盐或EPS结合形成沉淀造成膜内部污染[71-72]，如图3所示。FO膜上非生物污染的组成多种多样，根据进料液和汲取液种类的不同，其组成也存在较大差异。以钙、镁离子形成的无机垢为例[27,35]：阴极液反渗的钙、镁离子会与阳极一侧的磷酸盐或碳酸盐反应在阳极一侧生成无机垢，正向渗透进入阴极室的磷酸盐或碳酸盐也会与钙、镁离子反应在阴极一侧生成无机垢，同时由于系统运行导致阴极pH升高也会使镁离子产生沉淀。
生物污染的形成过程如图4所示，主要包括3个阶段[68]：1）微生物及其分泌物首先沉积并附着在FO膜表面；2）微生物生长形成生物膜，导致水通量迅速减少；3）最后部分微生物由于缺乏营养源而死亡，生物污染层中的多糖和蛋白质作为营养源被分解，膜污染程度略有降低。
微生物在生物污染的形成和发展中发挥了重要作用，需要进一步研究生物污染的形成机制以减轻OsMFC中FO膜表面生物污染程度，同时有研究表明[19,26]被污染的膜虽然水通量有所下降，但是其产电性能却得到了提升，因此研究膜污染对系统产电性能的影响及机制也十分必要。
2.2 运行技术的调控对膜污染的抑制
OsMFC系统运行技术与其性能密不可分，可以通过对运行技术的调控，从而实现系统性能的最优化。通过控制曝气、极液循环流速以及水力停留时间（HRT）等方法，改变FO膜表面水流的错流流速、剪切条件和浓度极化，减少无机物、微生物等杂质在膜表面的沉积，进而抑制膜污染在膜表面的形成。
在控制系统曝气方面，研究指出在渗透膜生物反应器中可以利用阴极可曝气的优势来缓解膜污染的形成[73-75]，但是在OsMFC中，阳极保持厌氧条件无法使用氧气进行曝气操作，可以将阳极产生的沼气进行循环，通入阳极液中冲刷膜表面形成的污垢。
在控制极液循环流速方面，循环速度的改变会影响膜表面的剪切条件和浓度极化。Ge等[24]将阴极电解液的再循环速率从100 mL/min提高到3 000 mL/min时，水通量略微提高，这表明阳极液、阴极液的循环流速的提高使得膜污染在一定程度上有所减轻。但是循环流速不应过高，否则会干扰电极上微生物挂膜，进而影响系统性能。
在控制HRT方面，相关研究[76-79]指出，阳极HRT影响MFC的产电性能和有机物去除，但HRT在OsMFC系统中的作用可能更复杂。在较低的HRT条件下，阳极液的快速供应会在FO膜表面产生一定的剪切力，缓解浓差极化并降低膜污染[80]。相关研究[24,32]将HRT从24 h逐渐降至3 h发现水通量逐渐增加，这表明膜污染在一定程度上受到抑制（表3）。
表 3 HRT对OsMFC的影响Table 3. Effect of HRT on OsMFC与其他减缓膜污染的方式相比，对OsMFC系统的运行技术以及参数进行调控，具有更加便捷可控的优势，在优化OsMFC反应器的运行参数方面仍需开展更多的研究并制定一套具有指导意义的OsMFC运行技术规范。
2.3 膜污染的清洗
诸多膜污染表征结果表明[11,67-69]，集合了EPS和细菌细胞的生物污染是FO膜污染的主要贡献者，在膜表面上形成的污染层相对较松散，主要以可逆污染为主，仅有少部分存在于膜内部的不可逆污染，因此可对FO污染膜进行清洗再生，清洗方式主要包括物理清洗和化学清洗。
Xue等[32]考察了3种膜清洗方法对膜污染去除效果以及对OsMFC系统性能的影响，其中超声清洗对总细胞去除更有效，而2种化学清洗方法（0.1%NaOH+0.2%NaCl和0.2%NaClO）对EPS的去除更有效。龙再柱[70]使用NaClO、EDTA和物理清洗3种方式对FO膜进行清洗，发现化学清洗效果明显优于物理清洗，且清洗后系统对多种污染物去除效率均有所提升。不同清洗方法的清洗效果如表4所示。
表 4 不同清洗方法的清洗效果Table 4. Cleaning effect of different cleaning methods清洗方法 水通量/〔L/(m2·h)〕 水通量恢复率/% 内阻/Ω 最大输出功率密度/（W/m3) 数据来源 原始膜 4.17±0.16 86.4±34.3 3.42±0.18 文献[32] 去离子水+超声波 2.04±0.06 48.9 141.5±14.4 2.87±0.09 0.1% NaOH+0.2%NaCl 3.06±0.11 73.5 112.2±19.8 3.12±0.54 0.2%NaClO 3.82±0.07 91.6 89.2±30.5 3.35±0.67 原始膜 4.25 494.3±25.4 1.28 文献[70] NaClO 3.05 63.1 374.4±8.0 0.22 EDTA 3.21 57.5 394.8±9.1 0.11 物理清洗 2.69 44.7 423.4±12.6 0.76 物理清洗方法可以将膜表面的部分污染物在机械振动的作用下剥离下来，化学清洗方法可以通过一系列化学反应[56,81]去除膜表面的部分有机污染以及生物污染，若将物理清洗与化学清洗结合，可以获得更好的清洗效果[82]，但是操作也更加复杂，成本也会提高，不利于实际的应用。以上研究均发现，采用NaClO清洗的效果最好，进一步证明了FO膜污染以有机生物污染为主。将膜拆除进行清洗，以免对微生物生长造成影响，因此应设计方便可拆卸的OsMFC结构以便FO膜的拆除清洗。今后研究更加便捷快速、经济可行的膜清洗方式仍是解决膜污染的重要方式之一。
2.4 膜材料的改性
污染的FO膜表面形成了以生物污染为主的复合污染，微生物和EPS在膜-水界面上黏附，同时快速生长和繁殖，最终在膜表面形成生物膜，从而影响系统的性能[83-84]。在膜表面引入抗菌物质对膜进行改性是缓解生物污染的常用方法[85-88]。金属纳米粒子就是良好的杀菌剂，可以在膜表面扩散形成抑菌圈[89-90]，采用银或铜纳米粒子修饰的FO膜可以减少生物污染物的沉积[91-93]。有报道利用纳米银-聚多巴胺（nAg-pDA）对CTA膜进行表面改性[94]，以及利用银纳米颗粒（AgNPs）负载到TFC材质的FO膜表面[29]，二者均利用纳米银颗粒的抗菌能力使得微生物和EPS更难在FO膜表面生长、附着，极大地减缓了FO膜的水通量衰减速度，有效减轻了膜污染。
金属纳米颗粒改性膜应用于OsMFC系统仍面临着几个关键挑战：首先，阳极细菌的生存能力可能受到改性膜释放或长期暴露的金属粒子的影响；其次，在系统长期运行过程中，由于金属粒子的脱落以及抗性微生物、污染物的存在，改性膜抵抗生物污染的性能可能会降低。此外，非金属粒子改性膜对于膜污染的减缓也可以获得较好的效果[95]。进一步的研究应集中于开发能够长期稳定运行且对阳极微生物不良影响小的改性膜材料，以推动膜改性技术应用于OsMFC的实际运行并减缓膜污染程度、提升系统性能。
2.5 阳极微生物的筛选与驯化
作为一个电化学反应器，研究阳极产电微生物群落特征，通过调节菌落组成的方式可以提高OsMFC系统性能，同时对系统的RSF和膜污染也会产生一定影响。产电菌的胞外电子传递机制主要包括3种[96-97]，即2种直接电子传递方式（直接接触传递和纳米导线传递）和1种间接电子传递方式（中介体/电子穿梭体传递）。MFC中的产电菌以无介体微生物为主流，其在运行成本以及功率输出方面均占有优势。
有研究[70]将富集培养后的铁还原细菌加入阳极室，发现与未加入铁还原菌的系统相比，初始RSF及其增加量更低，膜通量衰减幅度较小，这表明RSF和膜污染均受到了一定程度的抑制，菌落调整前后OsMFC系统性能及FO膜性能如表5所示。此外，铁还原细菌还会提高系统的产电性能，地杆菌科细菌(Geobacteraceae)中的Fe(Ⅲ)还原微生物能够将电子直接传递到电极上[98-99]，地杆菌(Geobacter)、脱硫单胞菌(Desulfuromonas)、硫还原弯形菌(Desulfuromusa)和杆状细菌能够将Fe(Ⅲ)或Mn(Ⅳ)还原并收集吉布斯能量[100]。铁还原细菌产生的Fe3+、Fe2+可以与溶液中的无机离子反应形成沉淀，减少无机离子在膜孔中堆积，此外还会与系统中的H2O2发生芬顿反应，促进FO膜表面EPS和微生物细胞的分解，系统中的电子和FO膜表面带电污染物之间的静电斥力，也会减缓FO膜污染，这些可能是铁还原菌在改善RSF和膜污染状况方面优于其他产电菌的原因。
表 5 加入铁还原菌前后系统性能及FO膜性能[70]Table 5. System performance and FO membrane performance before and after adding iron reduction bacteria状态 最高输出电压/mV 最大输出功率密度/（W/m3） 阳极电导率/（mS/cm） 阴极电导率/（mS/cm） 水通量/〔L/(m2·h)〕 Na+反向渗透量〔g/(m2·h)〕 未加入 300 1.28 8.50~10.50 30.38~45.29 1.54~3.14 12.23~18.19 加入 840 12.23±1.05 19.89~45.31 1.83~3.20 6.40~10.79 从整体上看，铁还原细菌对RSF和膜污染均有一定程度的抑制作用。目前对MFC阳极产电菌的筛选及其产电性能的研究较多[101-105]，但是关于阳极微生物对OsMFC系统RSF以及膜污染控制作用的研究较少。此外，由于以微生物作为催化剂，系统运行受微生物生长影响较大，加之现有复合产电菌主要从沉积物（海底和湖泊）中或活性污泥驯化而来，培养驯化难度大，系统启动耗时且高产电系统的构建对于高产电基因工程菌依赖性较强，这些因素无疑严重限制了OsMFC的实际应用，日后可以围绕该方向进行更多的研究，筛选出更多优秀的产电菌，以提高产电、产水性能并有效降低RSF以及膜污染程度。
3. 结语
OsMFC系统中采取FO膜代替传统MFC技术中的质子交换膜，以废水中的污染物作为燃料，在去除水中污染物的同时产生电能，并回收高质量水，但在系统运行过程中由于RSF以及膜污染问题会导致汲取液损失、阳极微生物活动受到影响和水通量降低等问题，造成系统产电、产水性能降低，运行成本进一步提高。为了解决上述问题对OsMFC技术的制约，研究人员开展了一系列的研究工作：在系统RSF的控制方面，主要工作包括膜材料的选择、汲取液的选择、阳极微生物的筛选与培养以及OsMFC系统内产电对RSF的抑制等，有效抑制RSF对系统的负面影响；在膜污染的控制方面，主要工作包括揭示膜污染形成机制、运行参数的优化、膜污染清洗以及膜材料的改性等，有效抑制膜污染的产生并对已生成的膜污染进行清除。
为进一步提高OsMFC的产电、产水性能并回收高质量水，抑制RSF和膜污染，克服二者对体系运行效率的限制，建议今后从以下几方面开展深入研究和技术示范：
（1）在RSF的控制方面，可以着手于新型膜材料的开发、汲取液的选取及浓度的设定，将RSF的不利影响转变为有利因素。
（2）在膜污染的控制方面，需要进一步开发稳定性高、对阳极产电菌影响小的改性膜材料并研究更加便捷高效、经济可行的膜污染清洗方法；此外，制定出一套适用范围广的OsMFC系统运行工程技术规范，对于膜污染控制以及实际应用具有指导意义。
（3）需要对系统产电性能与RSF之间的交互作用及机制进行更深的研究，在不影响系统整体性能的前提下，最大程度降低RSF对系统的不利影响。
（4）目前OsMFC领域相关研究对于美国水化技术创新公司（HTI）生产的商业化FO膜依赖性过强，日后应进一步开发更加适宜在OsMFC环境下运行的FO膜，解决现有膜材料水通量较低以及RSF较高的问题。
（5）由RSF所引起的汲取液损失大大降低了OsMFC实际应用的经济可行性，RSF无法完全消除，因此研究反渗溶质的回收技术以及易于回收的汲取液对于降低系统的运行费用具有重要意义。
（6）仍需进一步深入研究膜污染的形成机制，尤其是生物污染的形成机制，揭示膜污染形成过程，以便有的放矢，从膜污染形成的各个阶段入手，最大程度地抑制膜污染的形成。
以上这些问题的解决，有望利于研究者们更深入地理解OsMFC技术，为其实际工程应用提供更多技术理论支持，从而推动这一绿色水处理技术的早日推广应用。
-
![]()
图 2 RSF基本原理（以活性层朝向汲取液为例）
Figure 2. Basic principle of RSF (taking the active layer facing the draw solution as an example)
表 1 已有研究中OsMFC的参数与性能总结
Table 1 Summary of parameters and performance of OsMFC in existing research results
研究开展年份 汲取液种类 外部电阻/Ω 电流密度/
（A/m3）最大输出功率/
（W/m3）数据
来源2011 NaCl（58 g/L） 10 30.0 4.74 文献[1] 海水（35 g/L） 10 17.3 2.39 文献[1] 2013 NaCl（35 g/L） 100 0.1 43.00 文献[23] NaCl（2 mol/L） 10 37.0 4.50 文献[24] 2014 NaCl（2 mol/L） 50 139.5 27.38 文献[25] 2015 NaCl（1 mol/L） 100 11.70 文献[26] 2018 K2SO4（0.5 mol/L） 10 24.7 文献[27] 2019 EDTA-Na2(0.2 mol/L) 10 22.5 文献[28] NaCl（0.185 mol/L） 10 23.6 文献[28] 2020 NaCl（1 mol/L） 500 3.70 文献[29] PBS（1 mol/L） 10 73.3 文献[30] NaCl（1 mol/L） 10 49.7 文献[30] 2021 NaCl（0.25 mol/L） 5 0.10 文献[31] NaCl（35 g/L） 100 3.40 文献[32] NH4HCO3(1 mol/L) 5 402.0 文献[33] 2022 NaCl（35 g/L）+
NaHCO3（1 g/L）250 11.10 文献[34] 
下载: 导出CSV
表 2 PAA-Na和EDTA-Na2与常规汲取液的性能对比
Table 2 Comparison of performance of PAA-Na and EDTA-Na2 with conventional draw solutions
下载: 导出CSV
表 4 不同清洗方法的清洗效果
Table 4 Cleaning effect of different cleaning methods
清洗方法 水通量/〔L/(m2·h)〕 水通量恢复率/% 内阻/Ω 最大输出功率密度/（W/m3) 数据来源 原始膜 4.17±0.16 86.4±34.3 3.42±0.18 文献[32] 去离子水+超声波 2.04±0.06 48.9 141.5±14.4 2.87±0.09 0.1% NaOH+0.2%NaCl 3.06±0.11 73.5 112.2±19.8 3.12±0.54 0.2%NaClO 3.82±0.07 91.6 89.2±30.5 3.35±0.67 原始膜 4.25 494.3±25.4 1.28 文献[70] NaClO 3.05 63.1 374.4±8.0 0.22 EDTA 3.21 57.5 394.8±9.1 0.11 物理清洗 2.69 44.7 423.4±12.6 0.76
下载: 导出CSV
表 5 加入铁还原菌前后系统性能及FO膜性能[70]
Table 5 System performance and FO membrane performance before and after adding iron reduction bacteria
状态 最高输出电压/mV 最大输出功率密度/（W/m3） 阳极电导率/（mS/cm） 阴极电导率/（mS/cm） 水通量/〔L/(m2·h)〕 Na+反向渗透量〔g/(m2·h)〕 未加入 300 1.28 8.50~10.50 30.38~45.29 1.54~3.14 12.23~18.19 加入 840 12.23±1.05 19.89~45.31 1.83~3.20 6.40~10.79
下载: 导出CSV
-
[1] ZHANG F, BRASTAD K S, HE Z. Integrating forward osmosis into microbial fuel cells for wastewater treatment, water extraction and bioelectricity generation[J]. Environmental Science & Technology,2011,45(15):6690-6696.
[2] 张春秋, 易夏文, 王靖翔, 等.连续流正渗透微生物燃料电池的运行性能研究[J]. 膜科学与技术,2017,37(6):83-89. DOI: 10.16159/j.cnki.issn1007-8924.2017.06.012 ZHANG C Q, YI X W, WANG J X, et al. Performance of a novel osmotic microbial fuel cell in a continuous operation[J]. Membrane Science and Technology,2017,37(6):83-89. DOI: 10.16159/j.cnki.issn1007-8924.2017.06.012
[3] 王志伟, 唐霁旭, 马金星, 等.正渗透微生物燃料电池处理污泥[J]. 同济大学学报(自然科学版),2014,42(9):1359-1364. WANG Z W, TANG J X, MA J X, et al. Waste activated sludge treatment in an osmotic microbial fuel cell (OsMFC)[J]. Journal of Tongji University (Natural Science),2014,42(9):1359-1364.
[4] OH Y, LEE S, ELIMELECH M, et al. Effect of hydraulic pressure and membrane orientation on water flux and reverse solute flux in pressure assisted osmosis[J]. Journal of Membrane Science,2014,465:159-166. DOI: 10.1016/j.memsci.2014.04.008
[5] HANCOCK N T, CATH T Y. Solute coupled diffusion in osmotically driven membrane processes[J]. Environmental Science & Technology,2009,43(17):6769-6775.
[6] LAY W C, CHONG T H, TANG C Y, et al. Fouling propensity of forward osmosis: investigation of the slower flux decline phenomenon[J]. BMC Surgery,2010,61(4):927-936.
[7] ZOU S Q, QIN M H, HE Z. Tackle reverse solute flux in forward osmosis towards sustainable water recovery: reduction and perspectives[J]. Water Research,2019,149:362-374. DOI: 10.1016/j.watres.2018.11.015
[8] SHE Q H, WONG Y K W, ZHAO S F, et al. Organic fouling in pressure retarded osmosis: experiments, mechanisms and implications[J]. Journal of Membrane Science,2013,428:181-189. DOI: 10.1016/j.memsci.2012.10.045
[9] HOLLOWAY R W, REGNERY J, NGHIEM L D, et al. Removal of trace organic chemicals and performance of a novel hybrid ultrafiltration-osmotic membrane bioreactor[J]. Environmental Science & Technology,2014,48(18):10859-10868.
[10] KLAYSOM C, CATH T Y, DEPUYDT T, et al. Forward and pressure retarded osmosis: potential solutions for global challenges in energy and water supply[J]. Chemical Society Reviews,2013,42(16):6959-6989. DOI: 10.1039/c3cs60051c
[11] QIU G L, TING Y P. Osmotic membrane bioreactor for wastewater treatment and the effect of salt accumulation on system performance and microbial community dynamics[J]. Bioresource Technology,2013,150:287-297. DOI: 10.1016/j.biortech.2013.09.090
[12] YANG E, CHAE K J, KIM I S. Comparison of different semipermeable membranes for power generation and water flux in osmotic microbial fuel cells[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology,2016,91(8):2305-2312.
[13] NAN J, LI H, MANHONG H, et al. Electricity generation and pollutants removal of landfill leachate by osmotic microbial fuel cells with different forward osmosis membranes[J]. Sustainable Environment Research,2021,31(1):1-10. DOI: 10.1186/s42834-020-00075-3
[14] WEI J, QIU C Q, TANG C Y, et al. Synthesis and characterization of flat-sheet thin film composite forward osmosis membranes[J]. Journal of Membrane Science,2011,372(1/2):292-302.
[15] GU Y S, WANG Y N, WEI J, et al. Organic fouling of thin-film composite polyamide and cellulose triacetate forward osmosis membranes by oppositely charged macromolecules[J]. Water Research,2013,47(5):1867-1874. DOI: 10.1016/j.watres.2013.01.008
[16] YIP N Y, TIRAFERRI A, PHILLIP W A, et al. High performance thin-film composite forward osmosis membrane[J]. Environmental Science & Technology,2010,44(10):3812-3818.
[17] OYMACI P, NIJMEIJER K, BORNEMAN Z. Development of polydopamine forward osmosis membranes with low reverse salt flux[J]. Membranes,2020,10(5):E94. DOI: 10.3390/membranes10050094
[18] LI D, WANG H T. Smart draw agents for emerging forward osmosis application[J]. Journal of Materials Chemistry A,2013,1(45):14049. DOI: 10.1039/c3ta12559a
[19] GE Z, HE Z. Effects of draw solutions and membrane conditions on electricity generation and water flux in osmotic microbial fuel cells[J]. Bioresource Technology,2012,109:70-76. DOI: 10.1016/j.biortech.2012.01.044
[20] GE Q C, LING M M, CHUNG T S. Draw solutions for forward osmosis processes: developments, challenges, and prospects for the future[J]. Journal of Membrane Science,2013,442:225-237. DOI: 10.1016/j.memsci.2013.03.046
[21] CAI Y F, HU X M. A critical review on draw solutes development for forward osmosis[J]. Desalination,2016,391:16-29. DOI: 10.1016/j.desal.2016.03.021
[22] ACHILLI A, CATH T Y, CHILDRESS A E. Selection of inorganic-based draw solutions for forward osmosis applications[J]. Journal of Membrane Science,2010,364(1/2):233-241.
[23] WERNER C M, LOGAN B E, SAIKALY P E, et al. Wastewater treatment, energy recovery and desalination using a forward osmosis membrane in an air-cathode microbial osmotic fuel cell[J]. Journal of Membrane Science,2013,428:116-122. DOI: 10.1016/j.memsci.2012.10.031
[24] GE Z, PING Q Y, XIAO L, et al. Reducing effluent discharge and recovering bioenergy in an osmotic microbial fuel cell treating domestic wastewater[J]. Desalination,2013,312:52-59. DOI: 10.1016/j.desal.2012.08.036
[25] PARDESHI P, MUNGRAY A. High flux layer by layer polyelectrolyte FO membrane: toward enhanced performance for osmotic microbial fuel cell[J]. International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials,2014,63(12):595-601. DOI: 10.1080/00914037.2013.854232
[26] ZHU X Z, ZHANG F, LI W W, et al. Insights into enhanced current generation of an osmotic microbial fuel cell under membrane fouling condition[J]. Journal of Membrane Science,2016,504:40-46. DOI: 10.1016/j.memsci.2015.12.050
[27] WU S M, QIAN G, HE Z. Examination of inorganic-based draw solutes and mitigation of their reverse solute flux in osmotic microbial fuel cells[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology,2019,94(7):2107-2114. DOI: 10.1002/jctb.5794
[28] WANG Z X, WU S M, HE Z. Production of electricity and water in an osmotic microbial fuel cell by using EDTA-Na2 as a recoverable draw solute[J]. Science of the Total Environment,2019,677:382-389. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.04.319
[29] LU Y, JIA J, MIAO H, et al. Performance improvement and biofouling mitigation in osmotic microbial fuel cells via in situ formation of silver nanoparticles on forward osmosis membrane[J]. Membranes,2020,10(6):E122. DOI: 10.3390/membranes10060122
[30] SONG H L, CAI Y, WU Y, et al. Enhancing the performance of a bioelectrochemically assisted osmotic membrane bioreactor based on reverse diffusion of organic and buffering draw solutes[J]. Desalination,2020,496:114730. DOI: 10.1016/j.desal.2020.114730
[31] GANGADHARAN P, VADEKEETIL A, SIBI R, et al. Concentrating nutrients and recovering water and energy from source separated urine using osmotic microbial fuel cell[J]. Chemosphere,2021,285:131548. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.131548
[32] XUE W C, HE Y F, YUMUNTHAMA S, et al. Membrane cleaning and performance insight of osmotic microbial fuel cell[J]. Chemosphere,2021,285:131549. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.131549
[33] YANG Y L, LU Y X, WU Y, et al. Effects of operating parameters on salinity accumulation in a bioelectrochemically-assisted osmotic membrane bioreactor[J]. Bioresource Technology,2021,319:124208. DOI: 10.1016/j.biortech.2020.124208
[34] XUE W C, CHANAMARN W, TABUCANON A S, et al. Treatment of agro-food industrial waste streams using osmotic microbial fuel cells: performance and potential improvement measures[J]. Environmental Technology & Innovation,2022,27:102773.
[35] PHILLIP W A, YONG J S, ELIMELECH M. Reverse draw solute permeation in forward osmosis: modeling and experiments[J]. Environmental Science & Technology,2010,44(13):5170-5176.
[36] ZHANG F, HE Z. Simultaneous nitrification and denitrification with electricity generation in dual-cathode microbial fuel cells[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology,2012,87(1):153-159.
[37] WANG N Y, FENG Y J, LI Y F, et al. Effects of ammonia on electrochemical active biofilm in microbial electrolysis cells for synthetic swine wastewater treatment[J]. Water Research,2022,219:118570. DOI: 10.1016/j.watres.2022.118570
[38] SEVDA S, ABU-REESH I M. Improved petroleum refinery wastewater treatment and seawater desalination performance by combining osmotic microbial fuel cell and up-flow microbial desalination cell[J]. Environmental Technology,2019,40(7):888-895. DOI: 10.1080/09593330.2017.1410580
[39] CHEN J L, LV Y, WANG Y, et al. Endogenous inorganic carbon buffers accumulation and self-buffering capacity enhancement of air-cathode microbial fuel cells through anolyte recycling[J]. Science of the Total Environment,2019,676:11-17. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.04.282
[40] WANG C T, HUANG Y S, SANGEETHA T, et al. Assessment of recirculation batch mode operation in bufferless bio-cathode microbial fuel cells (MFCs)[J]. Applied Energy,2018,209:120-126. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.10.074
[41] WU S M, ZOU S Q, YANG Y L, et al. Enhancing the performance of an osmotic microbial fuel cell through self-buffering with reverse-fluxed sodium bicarbonate[J]. Chemical Engineering Journal,2018,349:241-248. DOI: 10.1016/j.cej.2018.05.086
[42] 印霞棐, 刘维平, 姜璐.利用微生物燃料电池回收含铜废水中的铜[J]. 环境工程,2014,32(9):152-157. DOI: 10.13205/j.hjgc.201409034 YIN X F, LIU W P, JIANG L. Recovery of copper from copper-contained wastewater by using a microbial fuel cell[J]. Environmental Engineering,2014,32(9):152-157. DOI: 10.13205/j.hjgc.201409034
[43] 吴英. 微生物燃料电池处理啤酒废水的实验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2010. [44] GUO Y L, CHEN Z, ZHANG S H. Methane-fueled microbial fuel cells with the formate-acclimating electroactive culture[J]. Science of the Total Environment,2021,754:142186. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.142186
[45] SONG H L, ZHANG S, LONG X Z, et al. Optimization of bioelectricity generation in constructed wetland-coupled microbial fuel cell systems[J]. Water,2017,9(3):185. DOI: 10.3390/w9030185
[46] NAGA SAMRAT M V V, RAO K K, RUGGERI B, et al. Denitrification of water in a microbial fuel cell (MFC) using seawater bacteria[J]. Journal of Cleaner Production,2018,178:449-456. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.12.221
[47] GE Q C, SU J C, AMY G L, et al. Exploration of polyelectrolytes as draw solutes in forward osmosis processes[J]. Water Research,2012,46(4):1318-1326. DOI: 10.1016/j.watres.2011.12.043
[48] DAI S, RAVI P, TAM K C. pH-responsive polymers: synthesis, properties and applications[J]. Soft Matter,2008,4(3):435-449. DOI: 10.1039/b714741d
[49] KANG Y, ZHENG S X, FINNERTY C, et al. Regenerable polyelectrolyte membrane for ultimate fouling control in forward osmosis[J]. Environmental Science & Technology,2017,51(6):3242-3249.
[50] YANG Y L, CHEN M T, ZOU S Q, et al. Efficient recovery of polyelectrolyte draw solutes in forward osmosis towards sustainable water treatment[J]. Desalination,2017,422:134-141. DOI: 10.1016/j.desal.2017.08.024
[51] YANG Y L, SONG H L, HE Z. Mitigation of solute buildup by using a biodegradable and reusable polyelectrolyte as a draw solute in an osmotic membrane bioreactor[J]. Environmental Science:Water Research & Technology,2019,5(1):19-27.
[52] YANG Y L, QIN M H, YANG X L, et al. Sustainable operation of osmotic microbial fuel cells through effective reproduction of polyelectrolyte draw solutes facilitated by cathodic pH increase[J]. Journal of Cleaner Production,2017,168:1143-1149. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.09.107
[53] ZHANG M M, SHE Q H, YAN X L, et al. Effect of reverse solute diffusion on scaling in forward osmosis: a new control strategy by tailoring draw solution chemistry[J]. Desalination,2017,401:230-237. DOI: 10.1016/j.desal.2016.08.014
[54] KERUSHA L, W P J, C R L, et al. EDTA: a synthetic draw solute for forward osmosis[J]. Water Science and Technology,2014,70(10):1677-1682. DOI: 10.2166/wst.2014.424
[55] HAU N T, CHEN S S, NGUYEN N C, et al. Exploration of EDTA sodium salt as novel draw solution in forward osmosis process for dewatering of high nutrient sludge[J]. Journal of Membrane Science,2014,455:305-311. DOI: 10.1016/j.memsci.2013.12.068
[56] 李玲, 王新华, 李秀芬, 等.EDTA吸附材料控制厌氧正渗透膜生物反应器中正渗透膜的污染[J]. 膜科学与技术,2019,39(4):82-88. LI L, WANG X H, LI X F, et al. Application of EDTA-based adsorption material for controlling forward osmosis membrane fouling in anaerobic osmotic membrane bioreactors[J]. Membrane Science and Technology,2019,39(4):82-88.
[57] 王皓, 李雪梅, 何涛, 等.乙二胺、乙二胺四乙酸有机盐作为FO过程驱动溶质的研究[J]. 膜科学与技术,2013,33(6):87-91. DOI: 10.16159/j.cnki.issn1007-8924.2013.06.013 WANG H, LI X M, HE T, et al. The use of EDA and EDTA as organic draw solutes in forward osmosis[J]. Membrane Science and Technology,2013,33(6):87-91. DOI: 10.16159/j.cnki.issn1007-8924.2013.06.013
[58] AELTERMAN P, VERSICHELE M, GENETTELLO E, et al. Microbial fuel cells operated with iron-chelated air cathodes[J]. Electrochimica Acta,2009,54(24):5754-5760. DOI: 10.1016/j.electacta.2009.05.023
[59] TIEDJE J M. Influence of environmental parameters on EDTA biodegradation in soils and sediments[J]. Journal of Environmental Quality,1977,6(1):21-26.
[60] KIM G, CHOI W. Charge-transfer surface complex of EDTA-TiO2 and its effect on photocatalysis under visible light[J]. Applied Catalysis B:Environmental,2010,100(1/2):77-83.
[61] ZOU S Q, HE Z. Electrolysis-assisted mitigation of reverse solute flux in a three-chamber forward osmosis system[J]. Water Research,2017,115:111-119. DOI: 10.1016/j.watres.2017.02.060
[62] 吴思邈. 汲取液对正渗透微生物燃料电池抑制或利用反向溶质通量的控制作用[D]. 上海: 上海大学, 2019. [63] QIN M H, ABU-REESH I M, HE Z. Effects of current generation and electrolyte pH on reverse salt flux across thin film composite membrane in osmotic microbial fuel cells[J]. Water Research,2016,105:583-590. DOI: 10.1016/j.watres.2016.09.028
[64] 安路阳, 宋迪慧, 杨爽, 等.电辅助膜生物反应器体系中Co纳米催化膜处理焦化废水研究[J]. 环境科学研究,2021,34(5):1129-1138. DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.12.19 AN L Y, SONG D H, YANG S, et al. Coking wastewater treatment by Co nanocatalytic membrane in electrical membrane bioreactor system[J]. Research of Environmental Sciences,2021,34(5):1129-1138. DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.12.19
[65] LUTCHMIAH K, VERLIEFDE A R D, ROEST K, et al. Forward osmosis for application in wastewater treatment: a review[J]. Water Research,2014,58:179-197. DOI: 10.1016/j.watres.2014.03.045
[66] LEE S, BOO C, ELIMELECH M, et al. Comparison of fouling behavior in forward osmosis (FO) and reverse osmosis (RO)[J]. Journal of Membrane Science,2010,365(1/2):34-39.
[67] WANG X H, CHANG V W C, TANG C Y. Osmotic membrane bioreactor (OMBR) technology for wastewater treatment and reclamation: advances, challenges, and prospects for the future[J]. Journal of Membrane Science,2016,504:113-132. DOI: 10.1016/j.memsci.2016.01.010
[68] LU Y Q, BIAN X, WANG H L, et al. Simultaneously recovering electricity and water from wastewater by osmotic microbial fuel cells: performance and membrane fouling[J]. Frontiers of Environmental Science & Engineering,2018,12(4):1-10.
[69] LAY W C L, ZHANG Q Y, ZHANG J S, et al. Study of integration of forward osmosis and biological process: membrane performance under elevated salt environment[J]. Desalination,2011,283:123-130. DOI: 10.1016/j.desal.2011.01.036
[70] 龙再柱. 阳极铁还原细菌强化OsMFC对养猪废水的处理及膜抗污染能力研究[D]. 西安: 长安大学, 2021. [71] MENG F G, CHAE S R, DREWS A, et al. Recent advances in membrane bioreactors (MBRs): membrane fouling and membrane material[J]. Water Research,2009,43(6):1489-1512. DOI: 10.1016/j.watres.2008.12.044
[72] ZHAO Y, SONG L F, ONG S L. Fouling behavior and foulant characteristics of reverse osmosis membranes for treated secondary effluent reclamation[J]. Journal of Membrane Science,2010,349(1/2):65-74.
[73] CORNELISSEN E R, HARMSEN D, BEERENDONK E F, et al. The innovative osmotic membrane bioreactor (OMBR) for reuse of wastewater[J]. Water Science and Technology,2011,63(8):1557-1565. DOI: 10.2166/wst.2011.206
[74] ACHILLI A, CATH T Y, MARCHAND E A, et al. The forward osmosis membrane bioreactor: a low fouling alternative to MBR processes[J]. Desalination,2009,239(1/2/3):10-21.
[75] 邓雁平, 叶亚平, 钱维兰, 等.不同物理清洗方式对一体式膜生物反应器过滤特性的影响[J]. 环境科学研究,2005,18(6):61-65. DOI: 10.3321/j.issn:1001-6929.2005.06.014 DENG Y P, YE Y P, QIAN W L, et al. Influence of the different physical membrane washing method on membrane filtration[J]. Research of Environmental Sciences,2005,18(6):61-65. DOI: 10.3321/j.issn:1001-6929.2005.06.014
[76] WEI L L, YUAN Z L, CUI M J, et al. Study on electricity-generation characteristic of two-chambered microbial fuel cell in continuous flow mode[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2012,37(1):1067-1073. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.02.120
[77] LI X H, ZHU N W, WANG Y, et al. Animal carcass wastewater treatment and bioelectricity generation in up-flow tubular microbial fuel cells: effects of HRT and non-precious metallic catalyst[J]. Bioresource Technology,2013,128:454-460. DOI: 10.1016/j.biortech.2012.10.053
[78] AKMAN D, CIRIK K, OZDEMIR S, et al. Bioelectricity generation in continuously-fed microbial fuel cell: effects of anode electrode material and hydraulic retention time[J]. Bioresource Technology,2013,149:459-464. DOI: 10.1016/j.biortech.2013.09.102
[79] FAZLI N, MUTAMIM N S A, JAFRI N M A, et al. Microbial fuel cell (MFC) in treating spent caustic wastewater: varies in hydraulic retention time (HRT) and mixed liquor suspended solid (MLSS)[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering,2018,6(4):4339-4346. DOI: 10.1016/j.jece.2018.05.059
[80] GRUBER M F, JOHNSON C J, TANG C Y, et al. Computational fluid dynamics simulations of flow and concentration polarization in forward osmosis membrane systems[J]. Journal of Membrane Science,2011,379(1/2):488-495.
[81] LIU G C, LI L, QIU L P, et al. Chemical cleaning of ultrafiltration membranes for polymer-flooding wastewater treatment: efficiency and molecular mechanisms[J]. Journal of Membrane Science,2018,545:348-357. DOI: 10.1016/j.memsci.2017.08.062
[82] YADAV S, IBRAR I, BAKLY S, et al. Organic fouling in forward osmosis: a comprehensive review[J]. Water,2020,12(5):1505. DOI: 10.3390/w12051505
[83] GARRETT T R, BHAKOO M, ZHANG Z B. Bacterial adhesion and biofilms on surfaces[J]. Progress in Natural Science,2008,18(9):1049-1056. DOI: 10.1016/j.pnsc.2008.04.001
[84] YANG H L, LIN J C T, HUANG C. Application of nanosilver surface modification to RO membrane and spacer for mitigating biofouling in seawater desalination[J]. Water Research,2009,43(15):3777-3786. DOI: 10.1016/j.watres.2009.06.002
[85] MEIER-HAACK J, BOOKER N A, CARROLL T. A permeability-controlled microfiltration membrane for reduced fouling in drinking water treatment[J]. Water Research,2003,37(3):585-588. DOI: 10.1016/S0043-1354(02)00360-3
[86] FERNANDEZ-LOPEZ S, KIM H S, CHOI E C, et al. Antibacterial agents based on the cyclic d, l-α-peptide architecture[J]. Nature,2001,412(6845):452-455. DOI: 10.1038/35086601
[87] RANA D, MATSUURA T. Surface modifications for antifouling membranes[J]. Chemical Reviews,2010,110(4):2448-2471. DOI: 10.1021/cr800208y
[88] XU C, XU Y L, ZHU J L. Photocatalytic antifouling graphene oxide-mediated hierarchical filtration membranes with potential applications on water purification[J]. ACS Applied Materials & Interfaces,2014,6(18):16117-16123.
[89] ZODROW K, BRUNET L, MAHENDRA S, et al. Polysulfone ultrafiltration membranes impregnated with silver nanoparticles show improved biofouling resistance and virus removal[J]. Water Research,2009,43(3):715-723. DOI: 10.1016/j.watres.2008.11.014
[90] LI Q L, MAHENDRA S, LYON D Y, et al. Antimicrobial nanomaterials for water disinfection and microbial control: potential applications and implications[J]. Water Research,2008,42(18):4591-4602. DOI: 10.1016/j.watres.2008.08.015
[91] YIN J, YANG Y, HU Z Q, et al. Attachment of silver nanoparticles (AgNPs) onto thin-film composite (TFC) membranes through covalent bonding to reduce membrane biofouling[J]. Journal of Membrane Science,2013,441:73-82. DOI: 10.1016/j.memsci.2013.03.060
[92] BEN-SASSON M, ZODROW K R, QI G G, et al. Surface functionalization of thin-film composite membranes with copper nanoparticles for antimicrobial surface properties[J]. Environmental Science & Technology,2014,48(1):384-393.
[93] 陆宇琴. 正渗透微生物燃料电池的膜污染机理及其控制措施研究[D]. 无锡: 江南大学, 2018. [94] YANG E, CHAE K J, ALAYANDE A B, et al. Concurrent performance improvement and biofouling mitigation in osmotic microbial fuel cells using a silver nanoparticle-polydopamine coated forward osmosis membrane[J]. Journal of Membrane Science,2016,513:217-225. DOI: 10.1016/j.memsci.2016.04.028
[95] SHRESTHA N, CHILKOOR G, XIA L C, et al. Integrated membrane and microbial fuel cell technologies for enabling energy-efficient effluent re-use in power plants[J]. Water Research,2017,117:37-48. DOI: 10.1016/j.watres.2017.03.044
[96] YANG Y G, XU M Y, GUO J, et al. Bacterial extracellular electron transfer in bioelectrochemical systems[J]. Process Biochemistry,2012,47(12):1707-1714. DOI: 10.1016/j.procbio.2012.07.032
[97] 赵阳, 宋永会, 段亮.微生物燃料电池降低活化内阻和欧姆内阻技术研究进展[J]. 环境工程技术学报,2021,11(2):343-353. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20200167 ZHAO Y, SONG Y H, DUAN L. Technical research progress of reducing activation internal resistance and ohmic internal resistance in microbial fuel cells[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2021,11(2):343-353. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20200167
[98] BOND D R, LOVLEY D R. Electricity production by Geobacter sulfurreducens attached to electrodes[J]. Applied and Environmental Microbiology,2003,69(3):1548-1555. DOI: 10.1128/AEM.69.3.1548-1555.2003
[99] BOND D R, HOLMES D E, TENDER L M, et al. Electrode-reducing microorganisms that harvest energy from marine sediments[J]. Science,2002,295(5554):483-485. DOI: 10.1126/science.1066771
[100] KIEFT T L, FREDRICKSON J K, ONSTOTT T C, et al. Dissimilatory reduction of Fe(Ⅲ) and other electron acceptors by a Thermus isolate[J]. Applied and Environmental Microbiology,1999,65(3):1214-1221. DOI: 10.1128/AEM.65.3.1214-1221.1999
[101] 王帅兵. 微生物燃料电池产电菌株的筛选及群落结构研究[D]. 舟山: 浙江海洋大学, 2017. [102] 刘远峰, 张秀玲, 张其春, 等.微生物燃料电池中阳极产电菌的研究进展[J]. 精细化工,2020,37(9):1729-1737. LIU Y F, ZHANG X L, ZHANG Q C, et al. Research progress of anode electrogenic microorganisms in microbial fuel cells[J]. Fine Chemicals,2020,37(9):1729-1737.
[103] 费讲驰. 高效产电菌的筛选及其在微生物燃料电池中的应用研究[D]. 吉首: 吉首大学, 2014. [104] KIELY P D, CALL D F, YATES M D, et al. Anodic biofilms in microbial fuel cells harbor low numbers of higher-power-producing bacteria than abundant genera[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,2010,88(1):371-380. DOI: 10.1007/s00253-010-2757-2
[105] LI M, ZHOU M H, TIAN X Y, et al. Microbial fuel cell (MFC) power performance improvement through enhanced microbial electrogenicity[J]. Biotechnology Advances,2018,36(4):1316-1327. ⊗ DOI: 10.1016/j.biotechadv.2018.04.010
-
期刊类型引用(1)
1. 辛培源，田甜，张美露，韩维峥，宋云婷. 基于InVEST模型和地理探测器的吉林省生境质量变化及驱动因素评估. 应用生态学报. 2024(10): 2853-2860 . 
百度学术
其他类型引用(1)
计量
- 文章访问数: 349
- HTML全文浏览量: 164
- PDF下载量: 31
- 被引次数: 2
