基于膜技術深度應用的養殖業污染源處理現狀與趨勢

馬霄航，徐 俊，蔣耿民，胡雪茹，張自杰

（南陽師范學院，河南南陽 473000）

1 概述

隨著我國工廠化養殖業的迅速發展，養殖規模愈發壯大，但是這個規模壯大僅僅只在追求養殖規模的大小，沒有考慮到環保要求。畜禽養殖廢水作為主要農業污染源，泛指畜禽養殖廢水中畜禽尿液和一些殘存的糞便、養殖區沖洗用水、工人生產生活中產生的廢水和沖洗養殖場產生的雨水。據《第一次全國污染源普查公報》，農業源中畜禽養殖業的COD和氨氮排放量分別為每年1 268.26萬t和71.73萬t，占農業源排放量的95.8%和78.1%，全國排放量的41.9%和41.5%。黨的十八大報告把生態文明建設放在了突出地位，強調建設美麗城鄉生態環境，必須做好畜禽養殖廢水的治理。《中共中央國務院關于加快推進生態文明建設的意見》提出，要著重加大種養業特別是規模化畜禽養殖的污染防治力度?！端廴痉乐涡袆佑媱潯罚ê喎Q“水十條”）要求全面控制污染物排放，推進農業農村污染防治，防治畜禽養殖污染。畜禽養殖廢水中含有大量CODcr、氨氮、懸浮物、重金屬、藥類和病原體等，導致其處理工藝復雜、運行管理復雜。如何對養殖廢水進行處理，從而避免其導致水生態環境污染的問題已引起廣泛關注。

2 膜技術在畜禽養殖廢水處理中的應用

我國現行處理畜禽養殖污廢水的主要方法有物理法、化學法和生物法。其中，生物法中的膜技術處理是一種操作簡便、能耗低、全自動、效率高、運行穩定等諸多優點集于一身的技術。經比較，反滲透技術、超濾膜技術以及納濾膜技術相對適用于畜禽養殖廢水處理應用。

2.1 反滲透

反滲透（RO）法在污水處理中的應用十分廣泛，其工作原理是溶質與溶劑分離，利用膜兩側的溶液濃度不同產生滲透壓差，能將除水分子以外其余物質隔離在膜一側，無法透過反滲透膜。同時，在水體一側施加壓力，從而抵消高濃度側向低濃度側產生的壓力差，使水分子運動方向發生逆轉，達到凈水的目的。

這種反滲透膜污水處理技術在大規模污水處理中經常使用，因為其采用的設備和原理比較簡單，并且在常溫下即可進行操作，同時能量的消耗較少，操作起來也更加方便，適用度高，出水的質量相比于其他工藝也更高?，F如今，該技術正致力于應用在生活污水、工業廢水、海水淡化及純水提煉中，將該技術與其他技術結合能極大程度上提高出水效率及出水質量，在實際操作中還能大幅降低成本，當出水質量達到一定標準后，還可為實現水資源回收利用提供一條潛在的技術途徑。在實際的應用過程中不難發現，應用該技術的整個污水處理過程都比較穩定，自動化水平高，系統脫鹽率超過了95%。

反滲透裝置如果長時間使用，會造成裝置堵塞，即反滲透膜若不定期清洗，會造成膜分離性能降低。為了更好地保護反滲透膜裝置，在裝置中常常會安裝過濾器，如若工作人員沒有按照正常程序進行維護，就會造成反滲透膜裝置的損傷，影響污水的處理出水質量。且該裝置的應用對原水水源的水質要求較高，對于水質好的水源技術優勢才能突出。還有一點就是，由于反滲透裝置要在高壓下運轉，因此必須配置相應的高壓泵和高壓管路，但這與其本身膜技術運行成本低相違背。

因此反滲透技術的高壓運行導致的高能耗和高膜污染問題，限制了其在畜禽養殖廢水深度處理與資源化領域的有效應用。

2.2 超濾膜

超濾膜在廢水處理中，可以有效去除大分子物質，如微粒、膠體、微生物等。超濾膜的直徑在 0.001 ～ 0.02 μm，并不完全統一，可根據廢水中需要過濾的雜質性質選用不同的膜孔徑。

使用超濾膜對畜禽養殖廢水進行處理時，可以選擇組合膜技術對其進行處理，以減緩超濾膜膜污染，常用的組合膜技術為混凝-超濾膜技術和活性炭-超濾膜技術。

混凝-超濾膜技術主要應用于處理畜禽養殖廢水中的有機物、金屬離子等，該系統可根據是否增加沉淀工藝分為標準與在線混凝。標準混凝是在混凝后進行沉淀，可以去除不穩定的污染物或聚集體，在沉淀過程中，混凝劑水解物可以部分消除污染物，減少超濾膜阻力。而在線混凝則不進行沉淀直接進行膜過濾，混凝后能夠在膜表面形成絮體攔截后續的微小絮體，從而避免微小絮體污堵膜孔，提高過濾通量，緩解膜污染，此外，在線混凝相較而言工藝流程簡單，能夠降低運行成本。

活性炭-超濾膜技術是在超濾膜前設置活性炭吸附預處理單元或者將活性炭負載在超濾膜上，由于活性炭具有特殊的孔隙結構和較大的比表面積，因此該技術具有較強的吸附作用，能夠在有效去除水源中有機物的同時減緩對膜的污染。此外，粉末活性炭對顆粒物也有不錯的去除效果，因此增加活性炭預處理技術能夠有效降低跨膜壓差增長速率，有利于增加膜通量，抑制膜污染，特別是有助于減緩部分不可逆的污染。但是過多的粉末活性炭會加大濾阻，導致跨膜壓差加速增加。因此，超濾與粉末活性炭組合工藝的優點很多，但是粉末活性炭的回收與投加量問題還需要做進一步的研究。

2.3 納濾膜

納濾膜孔徑比超濾膜小，平均孔徑2nm左右，納濾工藝介于反滲透工藝與超濾分離工藝之間，納濾分離技術中的納濾膜也具備選擇透過性，主要用來分離小分子有機物和多價離子等，分離過濾效果更加顯著。此外，納濾膜內存在電荷，可利用膜濃差電位、電解質在膜內的滲透速率和截留性，有效分離畜禽養殖廢水中的抗生素，能達到較好的廢水處理效果。

采用納濾膜進行污水處理時，通常采用組合工藝，常見的組合工藝是常規工藝-納濾和深度處理-納濾。

常規工藝-納濾是將常規工藝作為納濾膜預處理過程，大量實踐應用結果發現，常規水處理工藝對有機物去除效果有限，但是能有效降低水的濁度、色度，將水的濁度降到1NTU以下。經過常規工藝預處理后，納濾膜能進一步有效截留常規工藝不能截留的有機物和無機離子等物質，從而進一步提高出水水質。但該工藝通常對原水要求較高，若原水水質較好，可節約水處理成本，反之，不僅會造成膜污染，成本同樣會提升。

深度處理（臭氧-生物活性炭）-納濾是最具有應用前景的工藝之一。臭氧的添加可使大分子有機物氧化為中小分子類有機物，又為生物活性炭池中的好氧微生物提供充足的溶解氧，而活性炭單元對小分子類有機物具有顯著吸附作用，使得活性炭表面以及內部的微生物能夠將吸附的中小分子類有機物進行生物降解。因此，相比于其他幾種工藝，臭氧-生物活性炭工藝不僅能夠顯著降低出水濁度，還能對小分子類有機物進行有效去除，從而防止納濾膜的有機污染和生物污染。

3 前景和展望

在當今節能低碳減排的背景下，高效、低能耗、可回用的廢水處理流程正在受到更多關注。針對畜禽養殖業本身成本高，利潤低，難以承受高成本的畜禽廢水處理工藝，在選擇畜禽養殖廢水處理工藝時，應優先考慮施工成本可控、運營管理成本較低、廢水處理效果較好的工藝。針對畜禽養殖廢水，本文提出可采用組合膜處理技術取代傳統的“生化”處理技術。反滲透裝置設備簡單，初期使用效果較好，但對維護要求較高，長期運行后會影響出水質量。采用超濾膜時常采用組合膜技術對其進行預處理，混凝-超濾組合技術是目前較為常用的預處理技術，但諸如長時間運行膜通量降低和膜孔堵塞等膜污染問題依舊限制著該技術的發展。而深度處理（臭氧-生物活性炭）-納濾是最具有應用前景的工藝，能有效防止納濾膜的有機和生物污染。

采用組合膜進行畜禽養殖廢水處理的過程中，污染物會在膜表面吸附沉積，進而堵塞膜孔，造成膜污染。而被污染的膜會直接導致膜通量的降低，使水處理的效果顯著降低，同時縮短膜的使用壽命，增加工程造價。而在實際操作過程中想要完全避免膜污染是不可能的，因此，組合膜處理技術在實際運行中的主要難題仍是膜污染問題。影響膜污染的因素有很多，如膜的材質、膜的表面性能、混合液特性、pH等。后續需針對不同的影響因素進一步進行探討，減緩膜污染的速率、延長清洗周期，這對于膜工藝的應用而言，具有重大的經濟效益。

現如今膜組合工藝在污水處理領域已嶄露頭角，為了能夠更好地發揮膜組合工藝的作用，今后應從以下幾個方面進行研究：

（1）進一步研究膜污染的成因，建立相關模型，開發具有抗污染、抗氧化、高通量等特點的新型膜，這對緩解膜污染、延長膜壽命具有重大意義。此外，可聯合應用其他技術形式對水源進行處理，勘查現場環境，明確污染物質，優化和開發新的組合工藝，針對不同的原水水質找出最佳的組合工藝，從而提高處理效率。

（2）為解決膜污染問題，保證出水效果，降低工程造價，常對膜進行清洗重復利用，常采用的清洗方式有高速水流沖洗、超聲清洗、空氣清洗等物理清洗方式和添加化學清洗劑進行化學清洗方式，目前這些清洗方式的效果還有待提高，因此研發經濟可行的膜清洗方案十分必要。

（3）膜技術的應用成本較高，因而一般適用于經濟相對發達地區。因此，還需要不斷優化和改進制膜工藝，以降低制膜成本。

4 結束語

畜禽養殖廢水是我國農業農村面源污染的主要污染源之一，具有水量大、水質條件惡劣、處理難度大、技術工藝要求高等特點。結合在市政環保領域廣泛應用的膜技術對畜禽養殖廢水進行處理和回用，分析了反滲透膜、超濾膜以及納濾膜在畜禽養殖廢水應用中的優缺點，提出使用組合膜處理技術可有效改善廢水處理質量，提高廢水處理效率，具有良好的應用前景。但同時，在畜禽養殖廢水處理的過程中，膜污染問題還沒有得到很好的解決，限制了其發展。因此，還需要進一步加大膜技術的研發和產業化推進力度，從而更好地服務于生活、生產和市政環保等領域。