第一作者：倪凌峰
通讯作者：王沛芳、王亚宜
通讯单位：1.河海大学环境学院；河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室；2. 同济大学环境科学与工程学院；同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室。
论文DOI：10.1021/acs.est.5c09128
膜生物反应器（MBR）在污水处理领域具有广阔的应用前景，尤其适用于厌氧氨氧化（Anammox）工艺，但膜污染问题仍是重大挑战。现有的抗膜污染策略往往难以同步提升处理效能，亟需开发多功能的解决方案。该研究将Anammox MBR与简易的电催化系统耦合，同步实现可持续的膜污染控制与脱氮效能强化。通过将阴极铁网装载于膜组件表面，该Anammox MBR在151天连续运行中取得显著成效：与对照组相比，膜污染周期延长84.1%，脱氮效率达93.9%，能耗降低19.4%，抗污染成本减少22.5%。机理分析表明，该系统的双重增效机制源于（1）·OH介导的膜污染抑制和（2）NO3− → NO2−选择性转化获得的NO2−在Anammox中的循环利用，保障了系统的高效稳定脱氮。该研究开创性地提出了一种适用于Anammox MBR的可持续电催化技术，同步解决膜污染问题并提升脱氮效率，促进了Anammox工艺在主流污水处理中的应用，为研发多功能MBR抗膜污染技术提供了启示。
MBR的广泛应用受限于膜污染这一关键运行难题。虽然传统抗污染策略能有效控制MBR的膜污染，但通常无法提升污水处理效率，甚至会因化学药剂释放而抑制微生物活性，导致处理性能下降。因此，亟需开发能同步缓解膜污染并提升处理效率的可持续技术。在MBR中运行Anammox可利用膜的截留作用加速Anammox菌富集并缩短启动周期，但仍面临MBR固有的膜污染和Anammox代谢导致NO3−积累这两大挑战。现有的膜污染控制技术无法去除NO3−，且可能因残留化学物质造成二次污染；传统反硝化或短程反硝化工艺等生物NO3−去除法存在电子供体需求高、温室气体排放、污泥产量大等局限。因此，开发兼具膜污染控制和NO3−去除功能的环保型策略对降低Anammox MBR运行成本和提高脱氮效率具有重要意义。
电芬顿技术可利用电能产生强氧化性的ROS，是高效且可持续的抗膜污染策略。此外，该技术还能在阴极实现NO3−的电化学还原，为在Anammox MBR中同步实现膜污染控制和NO3−去除提供了可能。虽然电化学NO3−还原的理想产物通常是N2和NH3，但主要副产物NO2−在电极表面的弱吸附性有利于其扩散和积累，可回用于Anammox反应。因此，将电芬顿抗膜污染过程与NO3−→ NO2−转化相结合，理论上可同步实现膜污染抑制和脱氮效率的提升。然而，该协同效应在Anammox MBR中的实验探索此前未见报道。
该研究开发了一种兼具NO3−还原功能的电芬顿抗膜污染策略，以同步解决Anammox MBR中的膜污染问题并提升脱氮效能。通过以电催化能力强、成本低廉且环境友好的零价铁（Fe0）为电极的电芬顿系统实现了双重目标：（1）通过ROS介导的污染物降解和细菌灭活实现原位膜污染控制；（2）选择性将NO3−转化为NO2−以协同强化Anammox驱动的脱氮途径。机理研究表明·OH在抗生物污染过程中起主导作用，同时通过优化电流密度调控NO3−还原向NO2−积累方向进行。在Anammox MBR中的应用验证了该系统的长期运行性能，包括脱氮效率、抗膜污染效果及能耗表现。该研究开创性地构建了电芬顿膜污染控制与微生物脱氮的耦合体系，为推动Anammox MBR在节能型污水处理中的应用提供了可持续的新范式。
图1. 电芬顿系统中阴极Fe0网的电化学表征与ROS产生分析
阴极Fe0网触发O2还原和NO3−还原反应时展现出显著的电催化活性和电子转移动力学特性，可利用阴极的电子和水中的溶解氧实现高效的H2O2产生和NO3−还原。ROS检测显示，·OH是电芬顿反应产生的主要ROS；10 mA电流（0.05 mA/cm2）是激活电芬顿反应的最佳条件；H2O2和·OH均随时间不断累积，系统可持续稳定地提供ROS；系统在Anammox运行环境中具有与在Na2SO4中同样显著的电芬顿反应和NO3−还原特性。
图2. 电芬顿系统对模式污染物及Anammox污泥的抗污染表现
在10 mA电流条件下发生的电芬顿反应显著减缓了PVDF超滤膜过滤模式污染物和Anammox污泥时的通量下降速率，有效控制了膜污染；系统在膜表面产生的ROS对牛血清蛋白、海藻酸钠和腐殖酸的降解率分别为26.6%、31.1%和27.6%。基于电芬顿反应的膜清洗可大幅提升膜通量恢复率，由H2O2分解产生的·OH是造成膜表面有机污染物降解和膜通量恢复的主要ROS。
图3. 电芬顿系统对模式细菌的抗菌表现
发生电芬顿反应时系统对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的灭活效率分别可达94.2%和90.3%，产生的ROS对细菌的细胞膜均造成了严重破坏，造成ROS的进一步渗透和细菌的死亡。·OH在细菌灭活过程中起主导作用，10 mA的最佳电流条件使大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的胞内ROS水平分别显著提升了794.0%和645.2%，产生的·OH可穿透细胞膜并在菌体内大量累积，从而有效灭活细菌。
图4. 电芬顿系统的电催化NO3−还原表现
电芬顿系统展现出优异的NO3−还原性能，10 mA是NO3− → NO2−转化的最佳电流，此时优先催化产生NO2−而非NH4+，反应6 h产生NO2−的选择性、法拉第效率和产率分别达到91.6%、78.9%和14.7 mmol/h/m2，且都随时间的延长而逐渐提升，而NH4+的生成量保持稳定，有利于NO2−的逐步累积。系统在Anammox运行环境中比在Na2SO4溶液中具有更优的NO2−定向选择性，可实现高效的NO3−→ NO2−转化。
图5. 装载电芬顿系统的Anammox MBR（MBRE）的长期运行性能与机理
在151天的运行过程中，MBRE的总氮去除效率最高达93.9%，显著高于对照MBR（84.8%），Anammox菌丰度显著提升，电催化作用促进了其增殖和富集。MBRE的平均膜污染周期延长至对照MBR的1.8倍，系统能耗降低了19.4%，抗膜污染成本节约了22.5%，膜生物污染得到了有效控制。系统耦合机理为：NO3−在阴极被还原为NO2−并重新引入Anammox，进一步消耗NO3−和NH4+；水和溶解氧被还原为H2O2，与Fe2+反应生成·OH用于抑制膜污染。
该研究通过Anammox与电催化的耦合作用，展示了一种高效、环保且易于调控的污水处理新范例，为碳中和目标下的可持续水管理奠定了基础。该Anammox MBR-电催化耦合系统全面的性能提升为研发同步强化污水处理和控制膜污染的多功能技术提供了重要启示。未来可在改进电极构型、优化运行参数、研发电极材料、利用清洁能源等方面进行优化，以期进一步提高脱氮效率，在一体式Anammox-电催化耦合体系中实现对含氮污染物的完全去除，推动Anammox在能源敏感型污水处理领域的规模化应用，同时满足严格的可持续性标准。
Lingfeng Ni, Peifang Wang*, Yayi Wang*, 2025. Sustainable electro-Fenton antifouling strategy simultaneously improves nitrogen-removal efficiency of anammox in membrane bioreactors. Environmental Science & Technology. DOI: 10.1021/acs.est.5c09128.
第一作者：倪凌峰，河海大学环境学院助理研究员（博士后）。博士毕业于同济大学，主要从事污水生物脱氮新技术、污水膜滤处理中抗膜污染方法创新与应用等研究。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目和江苏省自然科学基金青年项目，入选博士后创新人才支持计划（同时获科研业绩评估考核资助）和江苏省卓越博士后计划。以第一作者身份在 Environmental Science & Technology（4篇）、Water Research（2篇）等环境领域权威期刊发表SCI论文13篇。授权国家发明专利5项。担任Bioresource Technology和Chemical Engineering Journal等国际知名期刊审稿人。通讯邮箱：nilf@hhu.edu.cn。
通讯作者：王沛芳，河海大学环境学院教授，博士生导师。国家杰青，“长江学者”特聘教授，现任环境学院党委书记。主要从事水环境保护、水污染控制、生态修复理论和技术等方面的教学和科研工作。主持国家基金委创新研究群体项目和重大研究计划重点支持项目、国家973课题、国家重大水专项课题、111引智计划项目及省部级重点项目50余项。获国家与省部级科技奖16项，其中国家科技进步一等奖1项、国家技术发明二等奖2项、国家科技进步二等奖2项、省部级特等奖1项和一等奖3项。在Nature Communications、PNAS等权威期刊发表论文300余篇，出版专著3部，授权发明专利126项，主参编标准6项。
通讯作者：王亚宜，同济大学环境科学与工程学院教授、博士生导师，教育部重点实验室副主任。获国家自然科学基金杰出青年科学基金和优秀青年科学基金项目资助。入选教育部青年长江学者、教育部新世纪优秀人才支持计划、上海市启明星优秀人才计划，获上海市环境保护先进个人等荣誉称号。长期从事污水处理理论和技术研究，在污水低碳型生物脱氮除磷理论研究、技术研究与工程应用等方面取得系列成果。在Nature Water、Environmental Science & Technology等权威期刊发表SCI论文100余篇，授权发明专利31件，参编标准4部。以第一完成人获上海市技术发明一等奖、上海市科技进步二等奖等奖励。
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