清华大学黄霞团队联合碧水源、北师大：振动膜生物反应器实现污水处理节能增效

来源：环境人Environmentor
时间：2026-09-09
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第一作者：林炜琛讲师（北京师范大学）

通讯作者：黄霞教授（清华大学），陈春生正高级工程师（北京碧水源科技股份有限公司）

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75747-6

成果简介

近日，清华大学环境学院黄霞教授团队联合北京碧水源科技股份有限公司、北京师范大学研究团队在Nature Communications期刊上发表了题为 “Vibrating membrane bioreactors enhance nutrient removal and energy efficiency in municipal wastewater treatment”的研究论文。研究团队采用水平往复式机械振动替代传统曝气作为膜污染控制手段，并与AAOA（厌氧-缺氧-好氧-缺氧）生物处理工艺深度融合，在工程规模（7500 m3 d-1）上开展了为期约800天的平行对比验证，系统揭示了振动膜生物反应器（VMBR）的节能增效机制。研究结果表明，VMBR在出水总氮降低约22%、化学除磷药剂节省约40%的同时，膜污染控制能耗降低75%、总电耗降低24%、碳足迹降低30%，实现了污染控制、生物处理和低碳运行的协同优化。

引言

膜污染是制约膜生物反应器（MBR）推广应用的重要瓶颈。传统曝气膜生物反应器（AMBR）依赖连续曝气控制膜污染，曝气能耗通常占污水处理厂总能耗的35%–50%，且气泡剪切分布不均、高溶解氧环境干扰生物脱氮除磷效果。近年来，机械振动被认为具有替代曝气控制膜污染的潜力，但其工程适用性和作用机制仍缺乏系统验证。为此，研究团队开展了工程规模的长期平行对比研究。

图文导读

研究结果表明，VMBR系统在多项关键指标上均显著优于传统AMBR（图1）。在出水COD和氨氮浓度相当的前提下，VMBR出水总氮浓度较AMBR降低约22%，脱氮效率显著提升；在达到相同出水总磷标准的情况下，VMBR系统的化学除磷药剂投加量减少约40%。这主要归因于振动膜池维持了低溶解氧环境，避免了高溶解氧回流对生物脱氮除磷过程的干扰。在运行稳定性方面，VMBR平均比通量较AMBR高出约20%，膜污染速率显著减缓，运行更稳定（图2）。

图1. AMBR与VMBR工艺路线与脱氮除磷效果对比

图2. AMBR与VMBR系统稳定性对比

在一个完整运行周期内的三个阶段（M1：30天，M2：60天，M3：90天）的系统表征显示（图3），VMBR污泥平均粒径较AMBR增大近30%，而松散结合型胞外聚合物（LB-EPS）和溶解性微生物产物（SMP）含量在各阶段均显著低于AMBR。这表明曝气产生的剧烈剪切对污泥絮体造成持续破碎，而振动产生的温和剪切则有利于絮体聚集和成熟，并减少了污染物质的释放。

图3. AMBR与VMBR膜池混合液理化性质对比

计算流体力学（CFD）模拟揭示了两种技术在污染控制机理上的本质差异（图4）。AMBR中气泡驱动流场分布不均，膜面剪切速率分布差异大，且存在明显流动死区；高湍流动能导致污泥絮体破碎，释放大量溶解性污染物加剧不可逆污染。而VMBR通过水平往复振动实现“固-液”直接能量传递，在膜表面附近产生了高度均匀且持续的剪切力，能量利用效率远高于曝气方式。更重要的是，VMBR的低剪切环境有效保护了污泥絮体结构，LB-EPS和SMP含量显著更低，从而减少了污染物质向膜面的释放与沉积。

图4. AMBR与VMBR污染控制机理的CFD解析

能耗实际监测与碳排放计算显示，VMBR膜池振动能耗（0.03 kWh m-3）较AMBR膜池曝气能耗（0.12 kWh m-3）降低75%，综合全流程总电耗降低约24%，综合碳足迹降低约30%。全生命周期评价表明，VMBR在多个环境影响指标上均实现显著削减，且对环境波动的敏感性更低，运行稳定性更强。

小结

本研究通过工程规模、长周期的平行对比验证，系统确立了VMBR相对于传统AMBR的综合优势。VMBR通过机械振动替代曝气，在显著降低能耗与碳排放的同时，同步提升了脱氮除磷效率与运行稳定性，实现了膜污染控制与生物处理过程的协同优化，为MBR工艺从“高能耗曝气”向“低能耗振动”的范式转变提供了科学依据与工程验证。

相关论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75747-6

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