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膜生物反应器（Membrane bioreactor,MBR）因其良好的出水水质、较低的污泥产量和紧凑的装置结构等优势成为污水处理及回用领域中最具发展潜力的技术之一。然而长期运行过程中产生的膜污染问题始终是阻碍其大规模商业化应用的主要因素。与物理、化学及生物清洗方法相比,电场控制膜污染具有清洗效果好、过程稳定、无需外加化学药剂、没有二次污染等特点,是一种清洁、高效的膜污染原位缓解方法。然而,外加电场消耗额外能耗,增加系统运行成本。微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）可通过阳极氧化污水中有机物（电子供体）释放电子,进而产生电能,利用MFC产生的电能在MBR中获得电场,构建电场MBR系统,不仅可有效缓解膜污染,降低MBR运行成本,也有利于推进MFC的实际应用进程。主要研究内容和结果如下:（1）导电微滤膜的制备及性质表征。采用共混法,将铜纳米线（Cu-nanowires,Cu-NWs）加入到聚偏氟乙烯膜（Polyvinylidene fluoride,PVDF）铸膜液中,制备获得了Cu-NWs导电微滤膜。结果表明,与商用PVDF膜相比,添加基于PVDF质量35%的Cu-NWs时,所得微滤膜的接触角降低了19.7%,纯水通量提高了40.0%。Cu-NWs在膜面活性层中建立了良好的导电网络,为氧化还原反应（Oxidation-reduction reaction,ORR）提供更多的活性位点,提高了其催化氧化还原的能力。Cu-NWs成功镶嵌在膜的活性层内,减少了牛血清白蛋白（Bovine serum albumin,BSA）溶液中的蛋白质分子在膜面的吸附,膜面蛋白质污染层的厚度降低了18.5%。用纯水清洗膜后,Cu-NWs导电微滤膜面的污染层厚度降低了49.0%。（2）自生电场MBR的运行特性初探。以制备得到的导电微滤膜为过滤介质,以石墨毡为阳极,以质子交换膜（Proton exchange membrane,PEM）为厌氧室和好氧室的分隔材料,构建了序批式自生电场MBR（Spontaneous electric field membrane bioreactor,SEF-MBR）系统,处理模拟污水。结果表明,利用厌氧室的电化学活性菌可将模拟污水中的化学能转化为电能,自生电场强度可达0.077 V/cm,最大输出功率密度为307.7mW/m2,库伦效率（Coulombic efficiency,CE）为28.8±3.5%。此外,SEF-MBR对化学需氧量（Chemical oxygen demand,COD）、氨氮（Ammonia nitrogen,NH4+-N）、总氮（Total nitrogen,TN）和总磷（Total phosphorus,TP）的去除率分别达94.5±0.4%、99.9±0.1%、78.5±4.3%和86.6±4.2%。经过2个多月的运行,Cu-NWs导电微滤膜的膜通量衰减率为90.2%,PVDF膜通量衰减率为93.0%。Cu-NWs导电微滤膜面的污染层厚度约为80.0μm,比PVDF膜面的污染层厚度降低了55.3%。Cu-NWs导电微滤膜面吸附的生物量、EPS浓度和污染物生物体积分别比PVDF膜面的降低了37.3%、31.6%和24.6%。（3）电极间距对自生电场MBR运行特性的影响研究。采用折流板代替PEM作为厌氧室与好氧室的分隔材料,构建了连续流SEF-MBR装置。当系统电极间距从4 cm缩短为2 cm时,膜污染速率从0.15 kPa/d降低到0.08 kPa/d;最大输出功率密度由2.38mW/m2（35.30 mW/m3）提高到2.90 mW/m2（42.95 mW/m3）,平均自生电场强度从0.70mV/cm提高到1.20 mV/cm;好氧池产生的H2O2与·OH浓度分别从0.18 mg/L与未检出提高到0.86 mg/L与0.12 mg/L。除生物降解外,电化学作用和好氧池的氧化剂也能氧化部分COD,提高了COD的降解效率。随着自生电场强度从0.70 mV/cm提高到1.20mV/cm,好氧池产生的氧化剂浓度提高,微生物新陈代谢速度增加,提高了硝化反应和类色氨酸的去除,出水TN浓度从9.9±0.7 mg/L降低到7.5±0.9 mg/L。由于电场的刺激作用,SEF-MBR好氧池污泥的ATP含量比对照MBR的提高了12.8%,微生物活性的提高促进了聚磷菌对正磷的吸收,降低了溶液中TP的浓度,TP浓度从0.8±0.1 mg/L降低到0.5±0.04 mg/L。由于在所构建系统中存在自生电场,系统出水水质满足我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。（4）自生电场强度对污泥性质的影响。污泥性质是影响膜污染的主要因素之一,不同电场强度通过改变污泥性质影响膜污染。结果表明,SEF-MBR 1的好氧池活性污泥MLSS和EPS的增长速率最低,分别为0.07 g/（L·d）和0.45 mg/（g VSS·d）,分别比对照MBR的降低了50.0%和42.1%。当系统自生电场强度为1.25 mV/cm、0.93 mV/cm和0.65mV/cm时,好氧池产生的H2O2和·OH浓度分别为0.90 mg/L和0.13 mg/L、0.54 mg/L和0.08 mg/L、0.42 mg/L和0.07 mg/L,即自生电场强度越高,氧化剂浓度越大,MLSS浓度越低,有利于缓解膜污染。此外,运行结束时,SEF-MBR 1中污泥的含水率最低,为91.84%,比对照MBR的降低了6.4%,SEF-MBR 1的污泥体积比对照MBR的减少了83.8%。自生电场提高了好氧污泥中活细胞比重和活性,SEF-MBR 1的活细胞比重和ATP含量分别为98.6%和0.69 mg/g VSS,分别比对照MBR增加了3.9%和23.2%。（5）自生电场MBR中的膜污染行为分析。在28 d的运行中,SEF-MBR反应器产生相对稳定的自生电场强度、H2O2和·OH浓度,分别为3.79 mV/cm、1.22 mg/L和0.15mg/L,与对照MBR相比,好氧池污泥混合液粒径减小了23.9%,EPS含量降低了52.8%,TMP的增长速率降低了43.8%。SEF-MBR微滤膜表面生物污染层的形成和生长可以分为3个阶段,首先多糖和蛋白质在膜表面沉积,黏附微生物细胞并逐渐形成大的聚集体;然后,EPS和微生物细胞迅速增加,尤其是β-D-吡喃多糖的生物体积增长迅速,导致污染层厚度快速增长;然后,EPS和微生物细胞的增长速度变慢,污染层厚度的增长速度降低。膜面污染层中含有大量金属元素氧化物或金属氢氧化物,其中Fe元素和Ca元素的含量较高;从第6天到第10天,两个反应器中膜污染层中β-D-吡喃多糖的生物体积增长速度最快;从第10天到第28天,SEF-MBR中膜污染层中微生物总细胞的生物体积增长速度快,而对照MBR的是蛋白质增长速度快。EPS的生物体积始终大于微生物细胞的生物体积。因此,EPS在生物污染层的形成和成长过程中起着重要的作用。