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水资源紧缺与能源危机是人类可持续发展面临的巨大挑战。为了持续改善能源与环境问题,我国提出2030年前完成“碳达峰”。因此,开发以“能量回收”为目标的新型污水处理技术有助于我国生态文明建设和低碳发展。厌氧膜生物反应器（AnMBR）耦合了厌氧消化与膜过滤,反应器在膜截留作用下,可实现对水力停留时间和污泥龄的解偶联,一定程度上提升了产甲烷效率,被认为是实现污水能量回收的重要方法。但传统膜过滤无法截留溶解性甲烷（CH4）,厌氧消化产出的CH4含量偏低,导致AnMBR需要额外的能量投入完成溶解性CH4回收和沼气提质,限制了系统能量回收效能。基于以上问题,本论文构建新型厌氧正渗透-电化学膜生物反应器（AnOMBR-MEC）,利用正渗透膜原位截留反应器内溶解性CH4,耦合生物电化学系统驱动沼气中CO2还原和沼气提质,强化厌氧消化的能量回收效能。本论文的研究内容如下:针对厌氧消化出水中溶解性CH4流失造成能量损失的问题,本论文研究了正渗透（FO）膜材料、膜朝向和膜污染对溶解性气体截留性能的影响,并初步构建溶解性CH4回收体系（FO-UASB）。当活性层分别朝向原料液（AL-FS）和汲取液（AL-DS）时,商业CTA-ES膜和CTA-NW膜对溶解性CH4的截留率均高于99.9%。FO膜对溶解性H2和CO2的截留性能具有明显差异,溶解性H2截留率（87.5%～92.3%）始终高于溶解性CO2截留率（52.5%～73.8%）。海藻酸钠污染层有利于溶解性H2截留,然而AL-DS朝向的浓缩型内浓差极化加剧了溶解性CO2渗透。协同FO膜截留和CH4气液传质,FO-UASB体系实现了溶解性CH4的回收。运行温度为35℃和25℃时,体系最大溶解性CH4回收率分别为57.9 mgCOD/（L·d）和77.6 mgCOD/（L·d）。以上结果表明利用FO过程的截留作用提高了厌氧消化的溶解性CH4回收性能。传统厌氧消化产气中的CH4和CO2含量分别为45%～70%和25%～55%,低浓度CH4是导致沼气热值偏低的重要因素。本论文利用MEC阴极催化还原CO2和AnOMBR的厌氧消化,构建了 AnOMBR-MEC沼气提质和同步污水处理系统。结果表明AnOMBR-MEC 系统的 COD 和磷酸盐去除率分别为 95%和 100%。沼气中的 CO2 逐步被 SnO2 电催化阴极还原为甲酸,1.2 V的甲酸法拉第效率最高为85%。通过阴极电解液间歇回流至反应器内部,甲酸进一步成为AnOMBR的补充碳源。微生物群落多样性分析表明AnOMBR-MEC 系统逐渐富集了嗜氢产甲烷菌（Methanobacterium和Methanobrevibacter）,产甲烷路径由乙酸型转变为嗜氢型。利用CO2还原产甲酸和嗜氢产甲烷,AnOMBR-MEC系统产气中的CH4含量逐渐从55%上升至90%,CH4产率提升至AnOMBR的1.6倍。为进一步提高AnOMBR能量回收效能,本论文探究了汲取液浓度（0.5 M～1.5 M NaCl）和运行温度（15℃～35℃）对AnOMBR产甲烷和溶解性CH4回收性能的影响。结果表明FO过程的临界汲取液浓度为0.75 M NaCl溶液,此浓度时的AnOMBR累积产水量最大。当汲取液浓度超过该值后,膜污染和外浓差极化导致FO的产水性能迅速下降,汲取液的快速反向溶质扩散抑制了产甲烷菌活性。在临界汲取液浓度条件下,AnOMBR稳定运行了 60 d,COD去除率超过90%。运行温度为15℃、25℃和35℃时,AnOMBR溶解性CH4饱和度分别为0.66、0.48和0.17,能量回收分别为2.0kW/m3、3.1 kWh/m3和4.2kWh/m3。利用MEC和运行温度的双重调控,AnOMBR-MEC系统能量回收效能进一步上升至5.1 kWh/m3,净能量产出为1.57kWh/m3。在实现AnOMBR-MEC系统净能量产出基础上,提出利用生物电化学系统中的碱度累积和生物电催化产甲烷实现沼气提质,进一步降低系统能耗,强化系统能量回收效能。实验结果表明碳粘/不锈钢复合生物阴极体系（BES-SSCF）的析氢反应显著强化了体系质子消耗和嗜氢产甲烷路径,沼气中CH4含量和CH4产率分别为92%和0.31 L/gCODremoval,与开路反应器相比分别提升了 53%和55%。1.0 V的BES-SSCF生物膜富集了大量团聚活菌群,阴极生物膜厚度达到175μm。进一步以BES-SSCF生物阴极为基础,构建了AnOMBR-MEC能量回收系统。利用生物电催化产CH4途径,系统pH值逐渐上升,促进了沼气中CO2通过溶解过程逐渐向碳酸氢根转变。1.0 V时,碳酸氢根进一步被生物阴极转化为CH4,AnOMBR-MEC系统产气中的CH4含量上升至88.6%,系统净能量产出达到2.54 kWh/m3。最终,通过耦合生物电化学系统驱动沼气中CO2还原产甲烷,AnOMBR-MEC系统实现了沼气的高值化产出和净能量回收。