针对污水处理行业减污降碳协同增效需求，聚焦MBR大气泡曝气及其膜污染控制，包括大气泡曝气器、大气泡尺寸和基于大气泡的膜污染控制，中心魏源送研究团队开展了系列研究，近日在大气泡曝气的临界尺寸及其水动力形成机制方面取得新进展。
MBR凭借出水水质高、占地面积小等优势，已成为城镇和工业污水深度处理及高品质再生水生产的关键技术。然而，曝气能耗高是制约MBR低碳运行的重要因素，现行的《膜生物反应器城镇污水处理工艺设计规程 T/CECS 152-2017》虽提出膜池宜采用大气泡曝气，但“大气泡”的定义及合理当量直径尚缺乏明确依据。因此，明确大气泡尺寸与水动力行为关系，是优化MBR曝气设计的重要基础。本研究揭示了剪切变稀非牛顿流体中的大气泡运动规律，提出了大气泡临界当量直径判据，并发表在Water Research（2026, 306, 126591）。
图1. 不同流体中气泡无量纲直径d’与无量纲上升速度U’的普适标度关系
本研究以剪切变稀非牛顿流体为对象，通过高速成像实验和无量纲理论分析，揭示了厘米尺度气泡上升行为与尺寸演变规律。研究发现，气泡上升速度随尺寸增加呈现“对数增长-平台-第二增长”的阶段性变化，并确定约10 cm为大气泡水动力转变的临界当量直径。结合雷诺数（Re）和埃特沃斯数（Eo）的理论分析表明，超过该临界当量直径后，气泡运动由流变特性主导逐渐转变为浮力-惯性作用主导，流体流变影响显著减弱。该研究为明确MBR大气泡定义、优化曝气器设计及降低膜污染控制能耗提供了新认识。
团队此前研发了基于虹吸机制与收缩-扩张喷嘴耦合的大气泡脉冲曝气技术，实现了不同尺寸大气泡的稳定可控生成，据此开发了大气泡曝气器（Chemical Engineering Journal，2025, 522, 167216），并揭示了大气泡诱导中空纤维膜振动及微尺度水动力强化的膜污染控制机制，为低能耗膜吹扫策略优化提供了理论支撑（Desalination（2026, 623, 119819）。
本研究成果发表于Water Research（2026, 306, 126591），魏源送研究员为通讯作者，博士生张玲萍与郁达伟副研究员为共同第一作者。研究得到京津冀区域综合环境治理国家科技重大专项（2026ZD1212602）的支持。
论文链接如下：
https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.126591
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167216
https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119819
水污染控制实验室
2026年9月11日