十秒自洁！港科大，最新Nature Water！

污水处理，是现代城市文明的隐形基石。它不仅关系到水体安全与生态平衡，更直接影响人类健康与可持续发展。然而，全球仍有约42%的生活污水未经充分处理，其中携带的污染物正威胁着饮用水源与水生生态系统。对于污水处理厂来说，出水水质能否稳定达标，是考量系统性能的核心指标，而其中“总悬浮固体浓度（TSS）”则是最关键的一项。TSS反映了出水中残留的污泥和颗粒含量，若控制不好，不仅水体浑浊，还会带来后续处理负担。为了保持低TSS水平，当前主流技术往往需要在“高效”与“经济”之间艰难权衡。膜分离技术（MBR）凭借高过滤精度可实现几乎零悬浮固体排放，但其运行能耗高、设备昂贵，且膜污染严重、清洗频繁。另一边，重力沉降系统虽然便宜，却易受水质波动影响，出水不稳定、易超标。于是，污水处理中出现了一道长期难题：如何在低成本、低能耗的同时实现高质量出水？

针对这一困境，香港科技大学陈光浩教授联合 Hongxiao Guo 提出了一种全新的思路——让污水反应器“自己洗干净”。他们创新性地将超声换能器集成进粗孔网膜系统中，利用超声波产生的“瞬态空化”（Transient Cavitation）效应，在网膜表面形成无数微小气泡。这些气泡瞬间塌陷时会释放出强大的局部冲击力，将附着在膜表的污垢一举剥离。整个清洗过程只需十秒，不用化学清洗，不用人工干预，也无需停机，大幅降低了能耗与维护成本。相关成果以“Transient cavitation enables ultrafast fouling removal in mesh bioreactors for efficient sludge–liquid separation during wastewater treatment”为题，发表在 《Nature Water》 上。

从“振动”到“空化”：看不见的微爆清洗机制

为了验证空化清洗的真实机理，研究团队首先对超声换能器的振动特性进行了系统分析。他们发现，当换能器距离网膜表面仅0.4厘米时，超声能量显著集中，振幅提升近一倍（图1a）。进一步提高功率密度至0.78 W/cm²时，超声波形开始畸变，这种波形扭曲正是瞬态空化发生的信号。利用电子自旋共振（ESR）技术检测自由基信号后，团队确认在高功率密度下·OH自由基的出现与气泡坍塌同步（图1b–c），证实清洗过程确实源于近场的“空化爆炸”。为了直观展示效果，研究者将严重堵塞的有氧与厌氧网膜分别进行超声清洗。结果显示，当功率达到0.78 W/cm²、距离为0.4厘米时，仅10秒便可将膜表污垢几乎全部清除（图1e–f）。相比之下，单纯的振动或氧化作用并不能显著去除污染物。这一结果首次明确指出：在污水处理的膜清洗中，决定性作用并非振动，而是那一瞬间气泡坍塌产生的微爆能量。

图1：展示瞬态空化网膜模块的结构设计与ESR验证结果，确认气泡塌陷为主要清洗机制。

十秒复活：空化清洗全面超越传统反冲洗

传统的反冲洗往往需要几分钟甚至更久，却难以彻底去除“不可逆污堵”。研究团队在实验室中搭建了两种网膜系统：有氧CMeBR（CAeMeBR）与厌氧CMeBR（CAnMeBR），并对比了不同清洗方式的效果（图2a–c）。结果发现，传统反冲洗虽然在短时间内降低跨膜压差（TMP），但膜很快又重新堵塞；而采用空化清洗，仅10秒就能完全恢复膜通量，运行时间延长近百倍。进一步的优化实验揭示了功率密度与清洗时间的协同作用（图2f–g）。对于CAeMeBR系统，最佳参数为1.56 W/cm²、28秒，可连续稳定运行7.8小时；CAnMeBR则在1.41 W/cm²、3.8秒下运行时间可达28小时。研究团队最终选择10秒清洗周期，在能耗与性能之间取得理想平衡。即使在清洗后短暂出现TSS上升的情况，也能在十分钟内恢复至低于20 mg/L的稳定水平。可以说，这种“十秒自洁”的模式彻底颠覆了以往低通量、长清洗的传统思维。

图2：对比空化清洗与传统反冲洗的效率，确定最佳超声参数并实现十秒级自洁。

高通量、长寿命：120天连续稳定运行

实验室验证只是第一步，能否经得住长期运行才是关键。研究人员让两套系统连续运行120天，以评估其耐久性与水质稳定性（图3a–d）。结果显示，CAeMeBR系统的平均通量为136.3 L·m⁻²·h⁻¹，CAnMeBR为145.2 L·m⁻²·h⁻¹，几乎维持满负荷运转。整个期间，CAeMeBR每天仅需清洗3次，CAnMeBR不到一次（图3e–f），清洗时间总计每日不超过半分钟。更令人惊喜的是，出水TSS始终维持在低水平——有氧系统平均仅4.1 mg/L，厌氧系统为12.2 mg/L（图3g–h），全面符合全球排放标准。即便在极端高通量（307 L·m⁻²·h⁻¹）下，系统依然保持清澈出水与稳定性能。与文献中报道的传统系统相比（图3i–j），CMeBR的通量提升了两倍以上，运行周期也显著延长。这意味着，清洗过程不再是污水处理的“停机瓶颈”，而成为高效运行的常规环节。

图3：120天连续运行表现，系统保持高通量与低TSS出水，验证长期稳定性。

微观视角：揭示污堵的生物学根源

为什么有氧与厌氧系统的清洗频率差别如此大？研究团队从微观结构与生物组成入手，揭示了不同污堵行为背后的根源。扫描电镜（SEM）显示，有氧污层结构致密、坚硬如胶，孔隙被彻底堵塞；厌氧污层则较为松散、呈絮状堆积（图4b）。原子力显微镜（AFM）测得，有氧污层的弹性模量高达36.9 GPa，是厌氧污层的近两倍，说明其机械强度更高、难以清除。进一步的共聚焦激光显微镜（CLSM）观察发现，有氧污层中蛋白质与多糖含量高，黏附性强（图4c–d），形成了典型的高粘性生物膜结构。基因组分析揭示了这一差异的微生物学来源：有氧系统中丝状菌Thiolinea大量富集，擅长分泌富蛋白的胞外聚合物，导致膜面“糊化”；而厌氧系统中的Bacteroidales菌群具有蛋白降解功能，可减弱黏性污染（图4i–j）。换句话说，微生物群落的结构差异决定了污堵特征，也解释了为何厌氧系统更“容易清洗”。

图4：揭示有氧与厌氧系统的污堵差异及微生物机制，解释清洗难度不同的原因

模拟微爆：空化清洗的力量与经济潜力

为了量化空化气泡的清洗能力，团队基于实测波形建立了精确的气泡动力学模型。模拟结果显示，当气泡坍塌时，局部压力可高达2860个大气压，壁面速度高达291 m/s（图5b–c）。这一瞬间的冲击力足以打破膜表附着力，将污垢整体掀离，而传统反冲洗的压力不足0.005 atm，完全无法比拟。这种超高效的清洗方式带来了惊人的能效表现。有氧CMeBR系统的清洗能耗仅0.047 kWh/m³，厌氧系统更低至0.0025 kWh/m³，较传统膜系统节能超过90%。初步的经济评估表明，在电价0.2美元/kWh条件下，CMeBR可将处理成本降低约0.078美元/m³（图5f），其中主要节省来自清洗能耗的减少。此外，网膜在经过相当于数年运行的超声测试后仍保持完好无损，验证了系统的长期稳定性（图5h）。

图5：模拟空化气泡塌陷过程并进行能耗与经济分析，展示CMeBR的应用潜力

面向未来：为分散式污水处理打开新局面

这项研究的意义，不仅在于实现了10秒级的超快清洗，更在于它让污水处理系统具备了“自愈合”的能力。CMeBR系统在保持高通量和低能耗的同时，可实现模块化部署与自动化运行，这对于资源受限、负荷波动大的地区尤为关键。无论是农村分散式污水治理，还是城市末端回用设施，这种系统都能以更低成本实现稳定达标排放。未来，研究团队计划进一步优化换能器布局与空化场分布，探索更大规模的工业化应用。随着模块化、低能耗的空化清洗技术逐渐成熟，污水处理或许将告别“堵膜—清洗—再堵”的循环，进入真正的智能化、自维护时代。这项来自港科大的创新，不仅刷新了人们对污水处理的想象，也为实现全球“清洁水与卫生”目标（SDG 6）提供了可行的新路径。