膜技術在海水養殖廢水處理中的應用

管若伶 彭心威

摘要 膜技術處理水具有效率高、不需要添加劑、無污染等優點。但由于膜污染等問題，影響了其應用推廣。梳理了海水養殖的主要污染物，分析了傳統海水養殖廢水處理方法的優缺點，概述了各種膜技術在海水養殖廢水處理中的應用情況，提出了膜技術未來的主要改進方向，旨在為膜技術在養殖廢水處理中的應用提供依據。

關鍵詞 海水養殖;尾水處理;膜技術

中圖分類號 X 703? 文獻標識碼 A? 文章編號 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

基金項目 海南省自然科學基金項目（520QN278）;海南熱帶海洋學院教育教學改革研究項目（RHYjg2021-04）;三亞市專項科研試制項目（2018KS19）;海南熱帶海洋學院校級引進學科帶頭人和博士研究生科研啟動項目（RHDXB201810）。

作者簡介 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

水產養殖業是世界重要的食物來源之一，近年來，我國海水養殖業發展迅速，其規模不斷擴大。但如何處理海水養殖廢水又成為人們面臨的新課題。如果不對海水養殖廢水進行處理就排放，會對鄰近海域造成污染，導致海水富營養化等環境問題。因此，海水養殖廢水處理工作勢在必行。我國傳統的海水養殖廢水處理方法主要有物理、化學和生物方法。膜技術應用在處理海水養殖廢水方面雖然起步較晚，但其發展十分迅速，目前已經取得一定的成效，在海水養殖行業領域具有廣闊的應用前景。

1 海水養殖污染物

海水養殖廢水中污染物來源廣泛，種類繁多，大體可以分為餌料污染、化學品污染、營養污染、生物污染、底泥污染5大類。

1.1 餌料污染

為了使海水養殖生物更好生長，人們往往會向養殖水體投放餌料，但是投放的餌料只有部分被水生生物吸收利用，這樣就導致了餌料的殘留。殘留餌料會通過沉降作用下沉，淤積在養殖水體中。餌料中含有豐富的營養物質，會污染海水水質，對養殖生物產生巨大的危害[1]。

1.2 化學品污染

在海水養殖的育苗和養殖過程中，為了追求產量和效益的最大化，預防和治療疾病，需要投入大量的消毒劑、藥品等各種化學試劑。各種化學試劑投放后往往會有殘留，長時間的使用會導致養殖海水中生物耗氧量（BOD）含量增高[2]。海水養殖主要化學污染物分為重金屬污染、魚藥殘留、農藥殘留、其他化學污染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，其他化學污染包括多氯聯苯（PCBs）、二噁英（PCDDs及PCDFs）、多環芳烴類化合物（PAHs）。

1.3 營養污染

養殖水體的營養元素主要是氮、磷等，其主要來源是投放的過剩的餌料在水中溶解擴散，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物的釋放等生物過程。營養元素的積累會超過養殖水體環境的承受力，造成養殖水域氮、磷含量及BOD、氨氮指標增高，造成水體富營養化，影響海水養殖生物的正常生活。

1.4 生物污染

生物污染是指在養殖育苗過程中，飼養人員認為應引進其他物種，來增加生物多樣性，提高繁殖率。但如果不經試驗調查就盲目引進其他物種，會使得水域捕食、競爭、寄生等中間關系紊亂，破壞水體生態平衡，短時間內難以恢復，導致嚴重的生物污染。

1.5 底泥污染

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

2 海水養殖污染物處理方法

我國海水養殖廢水的處理方法主要有物理法、化學法和生物法等。物理方法主要包括沉淀、過濾、泡沫分離技術等;化學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、水生動物凈化、生物膜方法等。各項處理技術的優缺點比較如下（表1）。

2.1 物理方法

沉淀是處理污水的傳統方法，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，在水力停留時間內自然去除[2]。過濾是通過濾膜分離水中粒徑較大污染物的一種技術，常用介質有石英砂、活性炭等。在重力或外力作用下，使廢水通過過濾介質，實現固液分離，是使用過濾法處理養殖廢水的重要過程[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、蛋白質等顆粒物及可溶性的有機物吸附融合，從而將其去除，凈化水質[4]。常見污水處理物理方法比較見表2。

2.2 化學方法

臭氧法是利用臭氧的強氧化能，在污水中加入臭氧用以快速分解有機物與無機物，破壞其內部結構，從而將其從廢水中除去，降低養殖廢水中COD及病毒、細菌的含量[5]。電絮凝技術是利用鐵板或鋁板作陽極，電解氧化生成 Fe2+、Fe3+或 Al3+，經水解形成氫氧化物，從而除去廢水中的膠態、懸浮物等雜質[6]。常見污水處理化學方法比較見表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]研究了構建人工濕地對海水養殖尾水的凈化性能，明確了養殖尾水凈化效果與人工濕地中基質和微生物群落特征的相關性。微生物固定技術是通過人工培養、篩選獲得高密度有益微生物混合菌液，通過表面吸附法、交聯法、包埋法和共價鍵結合法等方式將微生物固定在凝膠材料中生長繁殖[9]。生物膜法是將由高度密集的各種細菌組成的具有硝化作用的生態系統，附著在固體介質濾料或載體上，可有效去除廢水中的溶解性膠體狀有機污染物，對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 膜技術在海水養殖廢水處理中的應用

目前，膜技術已廣泛應用于海水養殖廢水處理中，我國常用的膜分離技術主要包括：超濾膜技術、納濾膜技術、膜生物反應器技術、動態膜生物反應器技術和膜集成工藝技術。

3.1 超濾膜技術 超濾膜技術是以膜兩側液體壓力差為推動力，通過篩選實現分離過程的一種技術[11]。Mameri等[12]分別用陶瓷超濾膜和聚砜超濾膜處理養殖廢水，結果表明，陶瓷超濾膜和聚砜超濾膜對蛋白質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]利用超濾膜處理藍蟹養殖廢水，結果表明，雖然超濾膜對養殖水體中BOD 的去除率為 66.7%，但膜的通透量卻很低。由此可以看出，雖然超濾膜技術的過濾效率很高，無二次污染[14]，但在處理養殖廢水中，仍存在需高驅動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提高膜的抗污染能力。但目前關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的驅動壓力及選擇更優質的膜材料以提高水通量是研究者需要繼續研究解決的課題[16]。

3.2 納濾膜技術

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污染物，結果表明，在亞鐵催化PMS的氧化和絮凝雙重作用下廢水中有機物的礦化率全部在60%以上，大部分礦化率達到80%。劉丹陽等[20]采用低壓納濾中試裝置深度處理微污染地表水源水，結果表明，納濾膜對微量有機物的平均去除率為65%左右。綜合國內外很多研究可看出，納濾膜具有表面帶電性、低驅動壓力與高效去除率、無二次污染等優點，但也存在膜污染、水溫影響膜性能等不足[21]。因此，進一步改進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的主要研究方向。

3.3 膜生物反應器技術

膜生物反應器（MBR）是將膜的過濾技術與傳統的生物處理技術相結合的新型廢水處理系統[22]。趙昌爽等[23]采用氣浮/M-ATP/膜處理系統處理湖泊水中的營養物質，結果表明，該工藝對養殖廢水中的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MBR處理養殖廢水的影響，結果發現，MBR對CODMn去除率會隨著鹽濃度的增加逐漸降低。綜合國內很多研究結果，MBR具有對COD和BOD等其他污染物去除效率高、出水品質高、污泥產量低等優點[25]，但也存在膜的成本較高、膜污染及膜劣化等不足，且鹽度會影響該工藝對污染物的去除效果。因此，在膜生物反應器方面，如何降低MBR的膜成本、膜污染，解決膜劣化，提高MBR在高鹽下的去除效率，是研究者需要攻克的難題。

3.4 動態膜生物反應器技術

動態膜生物反應器（DMBR）是將動態膜技術和膜生物反應器技術結合起來起到凈化進水作用的一種新型污水處理工藝。林冰等[26]采用缺氧-動態膜生物反應器處理海水養殖廢水，結果表明，該工藝對TN和CODMn的去除效率隨著水力停留時間（HTR）的增大逐漸增大。李偉博等[27]比較了DMBR和MBR在相同條件下對養殖廢水的處理效果。結果表明，在較低DO條件下，DMBR工藝對TN、氨氮的去除效率略低于MBR工藝，但在運行周期和過濾壓差方面DMBR工藝具有明顯優勢。綜合國內很多研究結果，DMBR技術比MBR技術具有成本降低、滲透性好、膜污染易清除等優點，但其對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

膜集成工藝是指將一些傳統的物理過濾方法，與超濾膜技術相結合的一種過濾方法。近幾年，集成工藝雖然在不斷發展，但應用于海水養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處理廢水，結果表明，該工藝對廢水中COD的去除效率高達95.3%，但在處理過程中，會對反滲透膜產生嚴重的污染。劉國昌等[29]用膜集成工藝處理海水工廠化養殖廢水，其流程如圖1所示。研究結果表明，該工藝對養殖廢水中的COD、TN和細菌的去除率均達到65%以上，但對總磷的去除效率偏低（僅11.9%）。綜合國內很多研究來看，膜集成工藝處理養殖廢水最大的優勢就是高效性，但同時處理過程中膜污染現象特別嚴重。所以，在膜集成工藝上今后研究者應致力于研究新型高效膜清洗技術和改性膜材料等方式來降低膜污染現象。

4 結語

膜技術在水處理方面具有良好的應用前景。綜合超濾膜技術、納濾膜技術、膜生物反應器技術、動態膜生物反應器技術、膜集成工藝在海水養殖廢水處理方面的應用情況可看出，目前膜技術在海水養殖廢水處理中的應用主要存在以下幾個方面的問題：①膜污染和膜劣化嚴重;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。針對目前膜技術應用在養殖廢水處理方面存在的問題，研究者未來在膜技術上應主要從3個方面突破：①研發新型耐污染膜材料或通過不同的改性方式來降低膜污染和膜劣化現象;②研究如何消除各種外界因素對膜性能的影響;③研究如何在保存截留效率的同時提高膜的通水量或者在保持通水量的同時提高截留效率。在膜工藝上，將以生物技術為基礎的膜生物反應器（MBR）技術與超濾膜技術相結合的組合工藝是海水養殖廢水處理工藝未來研究的主要方向。

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