近日，北京师范大学环境学院林炜琛讲师联合清华大学环境学院黄霞教授团队在《Nature Communications》发表题为“Vibrating membrane bioreactors enhance nutrient removal and energy efficiency in municipal wastewater treatment”的研究论文。

膜生物反应器（MBR）是实现城市污水资源化的核心技术之一，然而膜污染导致的运行能耗高、维护频繁等问题长期制约其推广应用。传统曝气膜生物反应器（AMBR）依赖连续曝气控制膜污染，不仅能耗高，而且高溶解氧环境干扰生物脱氮除磷过程。如何突破曝气能耗瓶颈、实现膜污染控制与生物处理过程的协同优化，是MBR技术发展面临的关键科学问题。

针对上述挑战，研究团队将水平往复式机械振动替代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，从宏观性能到微观机理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1. AMBR与VMBR工艺路线与脱氮除磷效果对比

研究团队进一步结合膜污染表征分析和计算流体力学（CFD）模拟，揭示了两种技术在污染控制机理上的本质差异（图2）。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。与此同时，VMBR形成的低剪切环境有效保护了污泥絮体结构，松散结合型胞外聚合物和溶解性微生物产物含量显著降低，从而减少了污染物向膜面的释放与沉积。

图2. 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在膜污染控制环节的能耗较AMBR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。全生命周期评价显示，VMBR在多个环境影响指标上均实现显著降低，同时具有更低的环境波动敏感性和更好的运行稳定性。研究从宏观工艺性能、污染控制机理到绿色低碳效益三个层面系统验证了VMBR的技术优势，为MBR工艺从传统高能耗曝气向低能耗机械振动的范式转变提供了科学依据和工程验证。

北京师范大学环境学院为论文第一单位，林炜琛讲师为第一作者；清华大学环境学院黄霞教授、北京碧水源科技股份有限公司总裁、正高级工程师陈春生为论文共同通讯作者。论文合作者包括清华大学环境学院博士后丁昊杰、刘紫微，北京碧水源科技股份有限公司薛涛博士、张彩云高级工程师，以及中国科学院大学肖康教授。本研究得到了国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费（北师大青年教师科研启动经费）的资助。