低碳节能MABR膜技术创新与高氨氮污水绿色治理应用
 

　　江苏巨澜纳米科技有限公司

 

　　项目简介
 

　　项目受人体肺呼吸高效氧传质机理启发，创新开发了低碳节能仿人工肺MABR(膜曝气生物膜反应器)膜组件及成套工艺。核心技术包括：①自主研发了高强度、高透氧性、抗污染的中空纤维透氧膜，实现无泡曝气，氧利用率较传统曝气提升80%以上；②构建了“膜内供氧-膜外成膜”的异向传质生物膜体系，实现氨氮与有机物同步高效去除，脱氮负荷提升2-3倍；③基于生物膜层精准调控，大幅削减剩余污泥产量，并显著降低曝气能耗与碳排放。
 

　　特点：本技术具有高效率、低能耗、占地省、抗冲击的显著优势。相比传统工艺，可节省曝气能耗30%-50%，减少剩余污泥量50%以上，并有效降低温室气体排放，契合国家“双碳”战略导向。
 

　　应用推广情况：目前，该技术成果已成功应用于高浓度养殖废水、高速公路服务区、工业园区及市政污水提标改造等十余项工程。在多个高氨氮工业废水处理案例中，实现出水稳定达到一级A标准，综合运行成本降低20%-30%。技术成熟度达到产业化推广阶段，市场应用前景广阔。
 

　　技术/产品简介
 

　　技术原理：受人体肺泡高效氧传质启发，研发仿生中空纤维透氧膜，实现无泡曝气，氧气由膜内腔向膜外生物膜定向传递，污水中有机物及氨氮则由液相向生物膜内反向扩散，形成异向传质生物膜体系，同步高效去除污染物。
 

　　功能特点：氧利用率达80%以上，脱氮负荷提升2-3倍；相比传统工艺，曝气能耗降低30%-50%，剩余污泥减量超50%，显著减少碳排放；模块化设计，占地省、抗冲击。
 

　　应用领域：主要应用于高氨氮养殖废水、高速公路服务区、工业园区及市政污水提标改造等领域，已实现多项工程稳定运行。
 

　　适用范围
 

　　MABR技术适用范围广泛，涵盖市政、工业、农村及生态修复等多个领域。在市政污水处理方面，适用于污水厂升级改造、分散式处理及污水资源化利用；工业领域可高效处理食品、制药、化工、造纸、纺织及石油石化等行业废水。针对农村生活污水、畜禽养殖废水及农田退水，MABR能实现低能耗脱氮。此外，该技术可用于河道、湖泊等黑臭水体的原位修复，以及高盐、低温、高氨氮等特殊水质(如垃圾渗滤液)。在水产养殖循环水、应急移动供水、工业园区集中处理及景区营地厕所污水等场景同样适用，具备占地小、节能、抗冲击等优势。
 

　　技术原理
 

　　首先采用疏水性中空纤维透氧膜作为生物膜载体。膜腔通入空气或纯氧，在低于泡点压力下，氧气以分子态直接透过膜壁扩散至膜外表面，实现无泡曝气，氧传递效率高达80%以上，彻底消除传统曝气的气液传质阻力。
 

　　与传统生物膜法(氧气与底物同向传递)不同，MABR中氧气由膜内向生物膜底层定向供给，而污水中的氨氮、有机物则由液相向生物膜表层反向扩散。两者在生物膜内形成浓度梯度相反的传质路径，使生物膜呈现独特的分层功能结构——内层富集好氧氨氧化菌，外层形成缺氧反硝化菌优势区，实现同步硝化反硝化。
 

　　在单一反应器内，氨氮经内层好氧区转化为亚硝酸盐/硝酸盐，随即在外层缺氧区利用污水中有机碳源(或补充少量碳源)还原为氮气脱除。该机制大幅缩短氮代谢路径，脱氮负荷较传统工艺提升2-3倍，同时降低外加碳源依赖与剩余污泥产率，从源头实现过程节能降碳。

　　工艺流程
 

　　污水首先经粗、细格栅拦截杂物，进入调节池均衡水质水量，再经初沉池去除悬浮物。预处理后的污水进入厌氧池，通过水解酸化及产甲烷反应去除部分有机物。厌氧池出水进入缺氧池(内置MABR膜组件)。在此池中，MABR的中空纤维膜以低压(约10~30 kPa)通入空气或氧气，氧气通过膜壁无泡扩散至膜表面的生物膜，形成“膜壁附近好氧、混合液主体缺氧/厌氧”的微环境。膜表面的好氧层中，好氧菌降解有机物并将氨氮氧化为硝酸盐；由于主体混合液处于缺氧状态且含来自厌氧池的有机碳源，硝酸盐在扩散至外层生物膜及主体液时被反硝化菌还原为氮气，从而实现同一池内的同步硝化反硝化。MABR缺氧池既承接了传统缺氧池的反硝化功能，又通过膜供氧实现部分硝化，大幅减少对后续好氧池的负担。随后，混合液进入好氧池进一步去除剩余有机物和氨氮，再经二沉池泥水分离、过滤消毒后达标排放。剩余污泥产量较传统工艺可减少30%~50%。该流程将MABR置于缺氧池，有效利用原水碳源，节能降耗，特别适用于低碳氮比污水的脱氮处理。

　　碳减排路径分析
 

　　装配式净水设备碳减排路径主要包括：
 

　　本项目MABR技术的碳减排路径主要体现在三个层面：其一，源头节能减碳，通过无泡曝气实现氧利用率达80%以上，曝气能耗较传统工艺降低30%-50%，直接减少电力消耗对应的间接碳排放；其二，过程降碳，利用异向传质机制实现同步硝化反硝化，避免硝化液回流带来的额外能耗，同时减少外加碳源投加量，并实现剩余污泥减量50%以上，大幅降低药剂生产与污泥处置环节的碳排放；其三，全生命周期控碳，膜组件采用高强度材料，设计使用寿命8-10年，模块化结构便于维护更换，减少膜材料更换频率，系统还可结合可再生能源供电，进一步降低碳足迹。综上，本技术从能耗、药耗、污泥处置多维度实现全流程碳减排，单吨水处理碳排放较传统工艺可降低30%-40%。
 

　　性能指标
 

　　根据产品技术参数表，该MABR膜组件具备以下核心指标：膜孔径小于0.4 nm，可有效截留微生物及大分子物质；拉伸断裂强度大于50 N，具有良好的机械强度和抗拉性能。供氧透气量大于14 kg/kW·h，单位氧化能力约为18 g O2/m2·d，氧传质效率高，节能显著。工作气压范围为0.05~0.3 bar，属于低压无泡曝气，运行安全稳定。适用水体温度宽泛，从-15℃至50℃，可适应寒冷及高温环境；pH适用范围为1~13，耐酸碱性能优异，适用于强酸强碱等苛刻水质。适用水体盐度低于10000 mg/L，对高盐废水有一定耐受性。产品典型寿命超过10年，长期运行可靠性高，维护成本低。综上，该MABR膜组件具有高强度、高效传氧、宽环境适应性和长寿命等特点，适用于市政、工业、农村及特殊水质等多种污水处理场景。
 

　　技术推广应用情况

　　国内外先进技术对比分析
 

　　国外MABR市场由美国杜邦(OxyMem)、美国苏伊士(原GE)和以色列富朗世(Fluence)三家垄断。杜邦膜丝强度差，运行易断丝；苏伊士将膜丝做细做薄并捆束以增强度，但内部膜丝利用率低；富朗世采用螺旋卷绕式半透膜，在万吨级市政污水应用中膜通量不均，场景受限。上述产品仅具备供氧功能。本公司技术不仅实现供氧，还可及时排出CO2，达成O2与CO2双向气体传质；采用中空编织管膜丝，强度高、不断丝，膜丝利用率高，打破国外垄断。
 

　　技术创新点
 

　　仿生双向传质：模拟人体肺泡机制，实现O2供给与CO2同步排出，突破国外产品仅单向供氧局限，提升生物膜活性。
 

　　高强度中空编织管膜丝：采用编织管增强结构，膜丝强度高、不断丝，解决了杜邦膜丝易断、苏伊士膜丝捆束利用率低的难题。
 

　　异向传质生物膜调控：构建同步硝化反硝化功能层，脱氮效率提升2-3倍，曝气能耗降低30%-50%，实现低碳高效运行。
 

　　攻克的技术难点和解决的难题
 

　　国外主流产品存在明显缺陷：杜邦膜丝强度差，运行中易断丝；苏伊士为增强度将膜丝做细做薄并捆束，导致内部膜丝传质受阻、利用率低。本项目采用中空编织管增强结构，在保持高透氧性的同时大幅提升机械强度，实现不断丝、全膜丝高效利用。
 

　　技术获奖情况