膜技術(shù)在海水養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用

管若伶 彭心威

摘要 膜技術(shù)處理水具有效率高、不需要添加劑、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。但由于膜污染等問題，影響了其應(yīng)用推廣。梳理了海水養(yǎng)殖的主要污染物，分析了傳統(tǒng)海水養(yǎng)殖廢水處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)，概述了各種膜技術(shù)在海水養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用情況，提出了膜技術(shù)未來(lái)的主要改進(jìn)方向，旨在為膜技術(shù)在養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 海水養(yǎng)殖;尾水處理;膜技術(shù)

中圖分類號(hào) X 703? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2022）03-0022-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.03.006

Application of Membrane Technology in Mariculture Wastewater Treatment

GUAN Ruo-ling1， PENG Xin-wei2

（1.College of Naval Architecture and Ocean Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan， Hubei 430033;2.Institute of Marine Science and Technology， Hainan Tropical Ocean University， Sanya， Hainan 572022）

Abstract Membrane technology has the advantages of high efficiency， no need of additives， no pollution， etc. However， due to membrane fouling and other problems， its application and popularization have been affected. This paper mainly summarizes the main pollutants of mariculture， analyzes the advantages and disadvantages of traditional mariculture wastewater treatment methods， summarizes the application of various membrane technologies in mariculture wastewater treatment， and puts forward the main improvement direction of membrane technology in the future， aiming at promoting the further development of membrane technology in aquaculture wastewater treatment.

Key words Mariculture;Tail water treatment;Membrane technology

基金項(xiàng)目 海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（520QN278）;海南熱帶海洋學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（RHYjg2021-04）;三亞市專項(xiàng)科研試制項(xiàng)目（2018KS19）;海南熱帶海洋學(xué)院校級(jí)引進(jìn)學(xué)科帶頭人和博士研究生科研啟動(dòng)項(xiàng)目（RHDXB201810）。

作者簡(jiǎn)介 管若伶（1990—），女，山東青島人，講師，博士，從事海水資源綜合利用研究。

收稿日期 2021-04-16

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是世界重要的食物來(lái)源之一，近年來(lái)，我國(guó)海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，其規(guī)模不斷擴(kuò)大。但如何處理海水養(yǎng)殖廢水又成為人們面臨的新課題。如果不對(duì)海水養(yǎng)殖廢水進(jìn)行處理就排放，會(huì)對(duì)鄰近海域造成污染，導(dǎo)致海水富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問題。因此，海水養(yǎng)殖廢水處理工作勢(shì)在必行。我國(guó)傳統(tǒng)的海水養(yǎng)殖廢水處理方法主要有物理、化學(xué)和生物方法。膜技術(shù)應(yīng)用在處理海水養(yǎng)殖廢水方面雖然起步較晚，但其發(fā)展十分迅速，目前已經(jīng)取得一定的成效，在海水養(yǎng)殖行業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 海水養(yǎng)殖污染物

海水養(yǎng)殖廢水中污染物來(lái)源廣泛，種類繁多，大體可以分為餌料污染、化學(xué)品污染、營(yíng)養(yǎng)污染、生物污染、底泥污染5大類。

1.1 餌料污染

為了使海水養(yǎng)殖生物更好生長(zhǎng)，人們往往會(huì)向養(yǎng)殖水體投放餌料，但是投放的餌料只有部分被水生生物吸收利用，這樣就導(dǎo)致了餌料的殘留。殘留餌料會(huì)通過沉降作用下沉，淤積在養(yǎng)殖水體中。餌料中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，會(huì)污染海水水質(zhì)，對(duì)養(yǎng)殖生物產(chǎn)生巨大的危害[1]。

1.2 化學(xué)品污染

在海水養(yǎng)殖的育苗和養(yǎng)殖過程中，為了追求產(chǎn)量和效益的最大化，預(yù)防和治療疾病，需要投入大量的消毒劑、藥品等各種化學(xué)試劑。各種化學(xué)試劑投放后往往會(huì)有殘留，長(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)殖海水中生物耗氧量（BOD）含量增高[2]。海水養(yǎng)殖主要化學(xué)污染物分為重金屬污染、魚藥殘留、農(nóng)藥殘留、其他化學(xué)污染4類，其中重金屬污染包括砷、鉛、汞、錫、鎘、鉻，魚藥殘留包括消毒劑、殺蟲劑、抗生素、磺胺類、呋喃類、激素類，農(nóng)藥殘留包括DDT及其衍生物、艾氏劑、氯丹、狄氏劑、六氯苯、滅蟻靈，其他化學(xué)污染包括多氯聯(lián)苯（PCBs）、二噁英（PCDDs及PCDFs）、多環(huán)芳烴類化合物（PAHs）。

1.3 營(yíng)養(yǎng)污染

養(yǎng)殖水體的營(yíng)養(yǎng)元素主要是氮、磷等，其主要來(lái)源是投放的過剩的餌料在水中溶解擴(kuò)散，水生生物的糞便、分泌物等的釋放，水中懸浮生物死亡過程的釋放及其他有機(jī)物的釋放等生物過程。營(yíng)養(yǎng)元素的積累會(huì)超過養(yǎng)殖水體環(huán)境的承受力，造成養(yǎng)殖水域氮、磷含量及BOD、氨氮指標(biāo)增高，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，影響海水養(yǎng)殖生物的正常生活。

1.4 生物污染

生物污染是指在養(yǎng)殖育苗過程中，飼養(yǎng)人員認(rèn)為應(yīng)引進(jìn)其他物種，來(lái)增加生物多樣性，提高繁殖率。但如果不經(jīng)試驗(yàn)調(diào)查就盲目引進(jìn)其他物種，會(huì)使得水域捕食、競(jìng)爭(zhēng)、寄生等中間關(guān)系紊亂，破壞水體生態(tài)平衡，短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)，導(dǎo)致嚴(yán)重的生物污染。

1.5 底泥污染

海水養(yǎng)殖的育苗和養(yǎng)殖過程中，投放的過剩餌料、化學(xué)藥劑和水生生物排泄物及分泌物會(huì)通過濕沉降作用下沉到養(yǎng)殖水體底泥中，導(dǎo)致底泥中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、重金屬等含量豐富。這些豐富的營(yíng)養(yǎng)元素在一定條件下又會(huì)從水體中釋放出來(lái)，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，從而影響水生生物的正常生活[2]。

2 海水養(yǎng)殖污染物處理方法

我國(guó)海水養(yǎng)殖廢水的處理方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法等。物理方法主要包括沉淀、過濾、泡沫分離技術(shù)等;化學(xué)方法主要包括臭氧氧化法、電絮凝法等;生物方法主要包括水生植物凈化、水生動(dòng)物凈化、生物膜方法等。各項(xiàng)處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下（表1）。

2.1 物理方法

沉淀是處理污水的傳統(tǒng)方法，廢水中的可沉淀固體污染物以及大部分懸浮物在重力作用下，可利用自然沉降原理，在水力停留時(shí)間內(nèi)自然去除[2]。過濾是通過濾膜分離水中粒徑較大污染物的一種技術(shù)，常用介質(zhì)有石英砂、活性炭等。在重力或外力作用下，使廢水通過過濾介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)固液分離，是使用過濾法處理養(yǎng)殖廢水的重要過程[3]。泡沫分離器工作原理是通過制造大量氣泡泡沫，與廢水中的纖維素、蛋白質(zhì)等顆粒物及可溶性的有機(jī)物吸附融合，從而將其去除，凈化水質(zhì)[4]。常見污水處理物理方法比較見表2。

2.2 化學(xué)方法

臭氧法是利用臭氧的強(qiáng)氧化能，在污水中加入臭氧用以快速分解有機(jī)物與無(wú)機(jī)物，破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而將其從廢水中除去，降低養(yǎng)殖廢水中COD及病毒、細(xì)菌的含量[5]。電絮凝技術(shù)是利用鐵板或鋁板作陽(yáng)極，電解氧化生成 Fe2+、Fe3+或 Al3+，經(jīng)水解形成氫氧化物，從而除去廢水中的膠態(tài)、懸浮物等雜質(zhì)[6]。常見污水處理化學(xué)方法比較見表3。

2.3 生物方法

水生植物凈水主要是指幾種常見的水生高等植物，如水葫蘆、水花生、鳳眼蓮等[7]。張可可[8]研究了構(gòu)建人工濕地對(duì)海水養(yǎng)殖尾水的凈化性能，明確了養(yǎng)殖尾水凈化效果與人工濕地中基質(zhì)和微生物群落特征的相關(guān)性。微生物固定技術(shù)是通過人工培養(yǎng)、篩選獲得高密度有益微生物混合菌液，通過表面吸附法、交聯(lián)法、包埋法和共價(jià)鍵結(jié)合法等方式將微生物固定在凝膠材料中生長(zhǎng)繁殖[9]。生物膜法是將由高度密集的各種細(xì)菌組成的具有硝化作用的生態(tài)系統(tǒng)，附著在固體介質(zhì)濾料或載體上，可有效去除廢水中的溶解性膠體狀有機(jī)污染物，對(duì)水體有明顯的凈化效果[10]。常見污水處理生物方法比較見表4。

3 膜技術(shù)在海水養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用

目前，膜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海水養(yǎng)殖廢水處理中，我國(guó)常用的膜分離技術(shù)主要包括：超濾膜技術(shù)、納濾膜技術(shù)、膜生物反應(yīng)器技術(shù)、動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器技術(shù)和膜集成工藝技術(shù)。

3.1 超濾膜技術(shù) 超濾膜技術(shù)是以膜兩側(cè)液體壓力差為推動(dòng)力，通過篩選實(shí)現(xiàn)分離過程的一種技術(shù)[11]。Mameri等[12]分別用陶瓷超濾膜和聚砜超濾膜處理養(yǎng)殖廢水，結(jié)果表明，陶瓷超濾膜和聚砜超濾膜對(duì)蛋白質(zhì)分子的截流效率均在70%以上，但2種膜的通透量都大幅下降。Chao等[13]利用超濾膜處理藍(lán)蟹養(yǎng)殖廢水，結(jié)果表明，雖然超濾膜對(duì)養(yǎng)殖水體中BOD 的去除率為 66.7%，但膜的通透量卻很低。由此可以看出，雖然超濾膜技術(shù)的過濾效率很高，無(wú)二次污染[14]，但在處理養(yǎng)殖廢水中，仍存在需高驅(qū)動(dòng)壓力和膜的通透性降低的問題。付曉燕[15]以聚砜為膜材料研究了一種改性的超濾膜來(lái)提高膜的抗污染能力。但目前關(guān)于如何提高膜的通透性研究卻很少，因此，如何降低使用超濾膜時(shí)的驅(qū)動(dòng)壓力及選擇更優(yōu)質(zhì)的膜材料以提高水通量是研究者需要繼續(xù)研究解決的課題[16]。

3.2 納濾膜技術(shù)

納濾膜的性能介于超濾和反滲透之間，其膜通量比反滲透更高，其截留效果比超濾更好[17-18]。王顥睿[19]采用納濾工藝與Fe（II）/PMS工藝耦合處理水中有機(jī)污染物，結(jié)果表明，在亞鐵催化PMS的氧化和絮凝雙重作用下廢水中有機(jī)物的礦化率全部在60%以上，大部分礦化率達(dá)到80%。劉丹陽(yáng)等[20]采用低壓納濾中試裝置深度處理微污染地表水源水，結(jié)果表明，納濾膜對(duì)微量有機(jī)物的平均去除率為65%左右。綜合國(guó)內(nèi)外很多研究可看出，納濾膜具有表面帶電性、低驅(qū)動(dòng)壓力與高效去除率、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，但也存在膜污染、水溫影響膜性能等不足[21]。因此，進(jìn)一步改進(jìn)納濾膜在不同溫度下的性能、降低膜污染和提高截留通率是未來(lái)的主要研究方向。

3.3 膜生物反應(yīng)器技術(shù)

膜生物反應(yīng)器（MBR）是將膜的過濾技術(shù)與傳統(tǒng)的生物處理技術(shù)相結(jié)合的新型廢水處理系統(tǒng)[22]。趙昌爽等[23]采用氣浮/M-ATP/膜處理系統(tǒng)處理湖泊水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，結(jié)果表明，該工藝對(duì)養(yǎng)殖廢水中的CODMn、氨氮和總磷的去除平均效率均在60%以上。Hong等[24]研究了鹽度對(duì)MBR處理養(yǎng)殖廢水的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MBR對(duì)CODMn去除率會(huì)隨著鹽濃度的增加逐漸降低。綜合國(guó)內(nèi)很多研究結(jié)果，MBR具有對(duì)COD和BOD等其他污染物去除效率高、出水品質(zhì)高、污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點(diǎn)[25]，但也存在膜的成本較高、膜污染及膜劣化等不足，且鹽度會(huì)影響該工藝對(duì)污染物的去除效果。因此，在膜生物反應(yīng)器方面，如何降低MBR的膜成本、膜污染，解決膜劣化，提高M(jìn)BR在高鹽下的去除效率，是研究者需要攻克的難題。

3.4 動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器技術(shù)

動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（DMBR）是將動(dòng)態(tài)膜技術(shù)和膜生物反應(yīng)器技術(shù)結(jié)合起來(lái)起到凈化進(jìn)水作用的一種新型污水處理工藝。林冰等[26]采用缺氧-動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器處理海水養(yǎng)殖廢水，結(jié)果表明，該工藝對(duì)TN和CODMn的去除效率隨著水力停留時(shí)間（HTR）的增大逐漸增大。李偉博等[27]比較了DMBR和MBR在相同條件下對(duì)養(yǎng)殖廢水的處理效果。結(jié)果表明，在較低DO條件下，DMBR工藝對(duì)TN、氨氮的去除效率略低于MBR工藝，但在運(yùn)行周期和過濾壓差方面DMBR工藝具有明顯優(yōu)勢(shì)。綜合國(guó)內(nèi)很多研究結(jié)果，DMBR技術(shù)比MBR技術(shù)具有成本降低、滲透性好、膜污染易清除等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)污水的處理效率略低于MBR和膜污染是其存在的不足。所以在今后的研究中，如何降低DMBR工藝中的膜污染以及提高對(duì)廢水的處理效率是研究者需要研究解決的課題。

3.5 膜集成工藝技術(shù)

膜集成工藝是指將一些傳統(tǒng)的物理過濾方法，與超濾膜技術(shù)相結(jié)合的一種過濾方法。近幾年，集成工藝雖然在不斷發(fā)展，但應(yīng)用于海水養(yǎng)殖廢水處理的研究較少。桂雙林等[28]采用超濾和反滲透膜集成技術(shù)處理廢水，結(jié)果表明，該工藝對(duì)廢水中COD的去除效率高達(dá)95.3%，但在處理過程中，會(huì)對(duì)反滲透膜產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。劉國(guó)昌等[29]用膜集成工藝處理海水工廠化養(yǎng)殖廢水，其流程如圖1所示。研究結(jié)果表明，該工藝對(duì)養(yǎng)殖廢水中的COD、TN和細(xì)菌的去除率均達(dá)到65%以上，但對(duì)總磷的去除效率偏低（僅11.9%）。綜合國(guó)內(nèi)很多研究來(lái)看，膜集成工藝處理養(yǎng)殖廢水最大的優(yōu)勢(shì)就是高效性，但同時(shí)處理過程中膜污染現(xiàn)象特別嚴(yán)重。所以，在膜集成工藝上今后研究者應(yīng)致力于研究新型高效膜清洗技術(shù)和改性膜材料等方式來(lái)降低膜污染現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

膜技術(shù)在水處理方面具有良好的應(yīng)用前景。綜合超濾膜技術(shù)、納濾膜技術(shù)、膜生物反應(yīng)器技術(shù)、動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器技術(shù)、膜集成工藝在海水養(yǎng)殖廢水處理方面的應(yīng)用情況可看出，目前膜技術(shù)在海水養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用主要存在以下幾個(gè)方面的問題：①膜污染和膜劣化嚴(yán)重;②膜的通透性低;③膜的截留效率低;④外界因素影響膜性能，如高溫、高鹽等。針對(duì)目前膜技術(shù)應(yīng)用在養(yǎng)殖廢水處理方面存在的問題，研究者未來(lái)在膜技術(shù)上應(yīng)主要從3個(gè)方面突破：①研發(fā)新型耐污染膜材料或通過不同的改性方式來(lái)降低膜污染和膜劣化現(xiàn)象;②研究如何消除各種外界因素對(duì)膜性能的影響;③研究如何在保存截留效率的同時(shí)提高膜的通水量或者在保持通水量的同時(shí)提高截留效率。在膜工藝上，將以生物技術(shù)為基礎(chǔ)的膜生物反應(yīng)器（MBR）技術(shù)與超濾膜技術(shù)相結(jié)合的組合工藝是海水養(yǎng)殖廢水處理工藝未來(lái)研究的主要方向。

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