膜技术在海水养殖废水处理中的应用

管若伶 彭心威

摘要 膜技术处理水具有效率高、不需要添加剂、无污染等优点。但由于膜污染等问题，影响了其应用推广。梳理了海水养殖的主要污染物，分析了传统海水养殖废水处理方法的优缺点，概述了各种膜技术在海水养殖废水处理中的应用情况，提出了膜技术未来的主要改进方向，旨在为膜技术在养殖废水处理中的应用提供依据。

关键词 海水养殖;尾水处理;膜技术

中图分类号 X 703  文献标识码 A  文章编号 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 海南省自然科学基金项目（520QN278）;海南热带海洋学院教育教学改革研究项目（RHYjg2021-04）;三亚市专项科研试制项目（2018KS19）;海南热带海洋学院校级引进学科带头人和博士研究生科研启动项目（RHDXB201810）。

作者简介 管若伶（1990—），女，山东青岛人，讲师，博士，从事海水资源综合利用研究。

收稿日期 2021-04-16

水产养殖业是世界重要的食物来源之一，近年来，我国海水养殖业发展迅速，其规模不断扩大。但如何处理海水养殖废水又成为人们面临的新课题。如果不对海水养殖废水进行处理就排放，会对邻近海域造成污染，导致海水富营养化等环境问题。因此，海水养殖废水处理工作势在必行。我国传统的海水养殖废水处理方法主要有物理、化学和生物方法。膜技术应用在处理海水养殖废水方面虽然起步较晚，但其发展十分迅速，目前已经取得一定的成效，在海水养殖行业领域具有广阔的应用前景。

1 海水养殖污染物

海水养殖废水中污染物来源广泛，种类繁多，大体可以分为饵料污染、化学品污染、营养污染、生物污染、底泥污染5大类。

1.1 饵料污染

为了使海水养殖生物更好生长，人们往往会向养殖水体投放饵料，但是投放的饵料只有部分被水生生物吸收利用，这样就导致了饵料的残留。残留饵料会通过沉降作用下沉，淤积在养殖水体中。饵料中含有丰富的营养物质，会污染海水水质，对养殖生物产生巨大的危害[1]。

1.2 化学品污染

在海水养殖的育苗和养殖过程中，为了追求产量和效益的最大化，预防和治疗疾病，需要投入大量的消毒剂、药品等各种化学试剂。各种化学试剂投放后往往会有残留，长时间的使用会导致养殖海水中生物耗氧量（BOD）含量增高[2]。海水养殖主要化学污染物分为重金属污染、鱼药残留、农药残留、其他化学污染4类，其中重金属污染包括砷、铅、汞、锡、镉、铬，鱼药残留包括消毒剂、杀虫剂、抗生素、磺胺类、呋喃类、激素类，农药残留包括DDT及其衍生物、艾氏剂、氯丹、狄氏剂、六氯苯、灭蚁灵，其他化学污染包括多氯联苯（PCBs）、二噁英（PCDDs及PCDFs）、多环芳烃类化合物（PAHs）。

1.3 营养污染

养殖水体的营养元素主要是氮、磷等，其主要来源是投放的过剩的饵料在水中溶解扩散，水生生物的粪便、分泌物等的释放，水中悬浮生物死亡过程的释放及其他有机物的释放等生物过程。营养元素的积累会超过养殖水体环境的承受力，造成养殖水域氮、磷含量及BOD、氨氮指标增高，造成水体富营养化，影响海水养殖生物的正常生活。

1.4 生物污染

生物污染是指在养殖育苗过程中，饲养人员认为应引进其他物种，来增加生物多样性，提高繁殖率。但如果不经试验调查就盲目引进其他物种，会使得水域捕食、竞争、寄生等中间关系紊乱，破坏水体生态平衡，短时间内难以恢复，导致严重的生物污染。

1.5 底泥污染

海水养殖的育苗和养殖过程中，投放的过剩饵料、化学药剂和水生生物排泄物及分泌物会通过湿沉降作用下沉到养殖水体底泥中，导致底泥中有机质、氮、磷、重金属等含量丰富。这些丰富的营养元素在一定条件下又会从水体中释放出来，导致水体富营养化，从而影响水生生物的正常生活[2]。

2 海水养殖污染物处理方法

我国海水养殖废水的处理方法主要有物理法、化学法和生物法等。物理方法主要包括沉淀、过滤、泡沫分离技术等;化学方法主要包括臭氧氧化法、电絮凝法等;生物方法主要包括水生植物净化、水生动物净化、生物膜方法等。各项处理技术的优缺点比较如下（表1）。

2.1 物理方法

沉淀是处理污水的传统方法，废水中的可沉淀固体污染物以及大部分悬浮物在重力作用下，可利用自然沉降原理，在水力停留时间内自然去除[2]。过滤是通过滤膜分离水中粒径较大污染物的一种技术，常用介质有石英砂、活性炭等。在重力或外力作用下，使废水通过过滤介质，实现固液分离，是使用过滤法处理养殖废水的重要过程[3]。泡沫分离器工作原理是通过制造大量气泡泡沫，与废水中的纤维素、蛋白质等颗粒物及可溶性的有机物吸附融合，从而将其去除，净化水质[4]。常见污水处理物理方法比较见表2。

2.2 化学方法

臭氧法是利用臭氧的强氧化能，在污水中加入臭氧用以快速分解有机物与无机物，破坏其内部结构，从而将其从废水中除去，降低养殖废水中COD及病毒、细菌的含量[5]。电絮凝技术是利用铁板或铝板作阳极，电解氧化生成 Fe2+、Fe3+或 Al3+，经水解形成氢氧化物，从而除去废水中的胶态、悬浮物等杂质[6]。常见污水处理化学方法比较见表3。

2.3 生物方法

水生植物净水主要是指几种常见的水生高等植物，如水葫芦、水花生、凤眼莲等[7]。张可可[8]研究了构建人工湿地对海水养殖尾水的净化性能，明确了养殖尾水净化效果与人工湿地中基质和微生物群落特征的相关性。微生物固定技术是通过人工培养、筛选获得高密度有益微生物混合菌液，通过表面吸附法、交联法、包埋法和共价键结合法等方式将微生物固定在凝胶材料中生長繁殖[9]。生物膜法是将由高度密集的各种细菌组成的具有硝化作用的生态系统，附着在固体介质滤料或载体上，可有效去除废水中的溶解性胶体状有机污染物，对水体有明显的净化效果[10]。常见污水处理生物方法比较见表4。

3 膜技术在海水养殖废水处理中的应用

目前，膜技术已广泛应用于海水养殖废水处理中，我国常用的膜分离技术主要包括：超滤膜技术、纳滤膜技术、膜生物反应器技术、动态膜生物反应器技术和膜集成工艺技术。

3.1 超滤膜技术 超滤膜技术是以膜两侧液体压力差为推动力，通过筛选实现分离过程的一种技术[11]。Mameri等[12]分别用陶瓷超滤膜和聚砜超滤膜处理养殖废水，结果表明，陶瓷超滤膜和聚砜超滤膜对蛋白质分子的截流效率均在70%以上，但2种膜的通透量都大幅下降。Chao等[13]利用超滤膜处理蓝蟹养殖废水，结果表明，虽然超滤膜对养殖水体中BOD 的去除率为 66.7%，但膜的通透量却很低。由此可以看出，虽然超滤膜技术的过滤效率很高，无二次污染[14]，但在处理养殖废水中，仍存在需高驱动压力和膜的通透性降低的问题。付晓燕[15]以聚砜为膜材料研究了一种改性的超滤膜来提高膜的抗污染能力。但目前关于如何提高膜的通透性研究却很少，因此，如何降低使用超滤膜时的驱动压力及选择更优质的膜材料以提高水通量是研究者需要继续研究解决的课题[16]。

3.2 纳滤膜技术

纳滤膜的性能介于超滤和反渗透之间，其膜通量比反渗透更高，其截留效果比超滤更好[17-18]。王颢睿[19]采用纳滤工艺与Fe（II）/PMS工艺耦合处理水中有机污染物，结果表明，在亚铁催化PMS的氧化和絮凝双重作用下废水中有机物的矿化率全部在60%以上，大部分矿化率达到80%。刘丹阳等[20]采用低压纳滤中试装置深度处理微污染地表水源水，结果表明，纳滤膜对微量有机物的平均去除率为65%左右。综合国内外很多研究可看出，纳滤膜具有表面带电性、低驱动压力与高效去除率、无二次污染等优点，但也存在膜污染、水温影响膜性能等不足[21]。因此，进一步改进纳滤膜在不同温度下的性能、降低膜污染和提高截留通率是未来的主要研究方向。

3.3 膜生物反应器技术

膜生物反应器（MBR）是将膜的过滤技术与传统的生物处理技术相结合的新型废水处理系统[22]。赵昌爽等[23]采用气浮/M-ATP/膜处理系统处理湖泊水中的营养物质，结果表明，该工艺对养殖废水中的CODMn、氨氮和总磷的去除平均效率均在60%以上。Hong等[24]研究了盐度对MBR处理养殖废水的影响，结果发现，MBR对CODMn去除率会随着盐浓度的增加逐渐降低。综合国内很多研究结果，MBR具有对COD和BOD等其他污染物去除效率高、出水品质高、污泥产量低等优点[25]，但也存在膜的成本较高、膜污染及膜劣化等不足，且盐度会影响该工艺对污染物的去除效果。因此，在膜生物反应器方面，如何降低MBR的膜成本、膜污染，解决膜劣化，提高MBR在高盐下的去除效率，是研究者需要攻克的难题。

3.4 动态膜生物反应器技术

动态膜生物反应器（DMBR）是将动态膜技术和膜生物反应器技术结合起来起到净化进水作用的一种新型污水处理工艺。林冰等[26]采用缺氧-动态膜生物反应器处理海水养殖废水，结果表明，该工艺对TN和CODMn的去除效率随着水力停留时间（HTR）的增大逐渐增大。李伟博等[27]比较了DMBR和MBR在相同条件下对养殖废水的处理效果。结果表明，在较低DO条件下，DMBR工艺对TN、氨氮的去除效率略低于MBR工艺，但在运行周期和过滤压差方面DMBR工艺具有明显优势。综合国内很多研究结果，DMBR技术比MBR技术具有成本降低、渗透性好、膜污染易清除等优点，但其对污水的处理效率略低于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工艺中的膜污染以及提高对废水的处理效率是研究者需要研究解决的课题。

3.5 膜集成工艺技术

膜集成工艺是指将一些传统的物理过滤方法，与超滤膜技术相结合的一种过滤方法。近几年，集成工艺虽然在不断发展，但应用于海水养殖废水处理的研究较少。桂双林等[28]采用超滤和反滲透膜集成技术处理废水，结果表明，该工艺对废水中COD的去除效率高达95.3%，但在处理过程中，会对反渗透膜产生严重的污染。刘国昌等[29]用膜集成工艺处理海水工厂化养殖废水，其流程如图1所示。研究结果表明，该工艺对养殖废水中的COD、TN和细菌的去除率均达到65%以上，但对总磷的去除效率偏低（仅11.9%）。综合国内很多研究来看，膜集成工艺处理养殖废水最大的优势就是高效性，但同时处理过程中膜污染现象特别严重。所以，在膜集成工艺上今后研究者应致力于研究新型高效膜清洗技术和改性膜材料等方式来降低膜污染现象。

4 结语

膜技术在水处理方面具有良好的应用前景。综合超滤膜技术、纳滤膜技术、膜生物反应器技术、动态膜生物反应器技术、膜集成工艺在海水养殖废水处理方面的应用情况可看出，目前膜技术在海水养殖废水处理中的应用主要存在以下几个方面的问题：①膜污染和膜劣化严重;②膜的通透性低;③膜的截留效率低;④外界因素影响膜性能，如高温、高盐等。针对目前膜技术应用在养殖废水处理方面存在的问题，研究者未来在膜技术上应主要从3个方面突破：①研发新型耐污染膜材料或通过不同的改性方式来降低膜污染和膜劣化现象;②研究如何消除各种外界因素对膜性能的影响;③研究如何在保存截留效率的同时提高膜的通水量或者在保持通水量的同时提高截留效率。在膜工艺上，将以生物技术为基础的膜生物反应器（MBR）技术与超滤膜技术相结合的组合工艺是海水养殖废水处理工艺未来研究的主要方向。

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