基于膜技术深度应用的养殖业污染源处理现状与趋势

马霄航，徐 俊，蒋耿民，胡雪茹，张自杰

（南阳师范学院，河南南阳 473000）

1 概述

随着我国工厂化养殖业的迅速发展，养殖规模愈发壮大，但是这个规模壮大仅仅只在追求养殖规模的大小，没有考虑到环保要求。畜禽养殖废水作为主要农业污染源，泛指畜禽养殖废水中畜禽尿液和一些残存的粪便、养殖区冲洗用水、工人生产生活中产生的废水和冲洗养殖场产生的雨水。据《第一次全国污染源普查公报》，农业源中畜禽养殖业的COD和氨氮排放量分别为每年1 268.26万t和71.73万t，占农业源排放量的95.8%和78.1%，全国排放量的41.9%和41.5%。党的十八大报告把生态文明建设放在了突出地位，强调建设美丽城乡生态环境，必须做好畜禽养殖废水的治理。《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》提出，要着重加大种养业特别是规模化畜禽养殖的污染防治力度。《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）要求全面控制污染物排放，推进农业农村污染防治，防治畜禽养殖污染。畜禽养殖废水中含有大量CODcr、氨氮、悬浮物、重金属、药类和病原体等，导致其处理工艺复杂、运行管理复杂。如何对养殖废水进行处理，从而避免其导致水生态环境污染的问题已引起广泛关注。

2 膜技术在畜禽养殖废水处理中的应用

我国现行处理畜禽养殖污废水的主要方法有物理法、化学法和生物法。其中，生物法中的膜技术处理是一种操作简便、能耗低、全自动、效率高、运行稳定等诸多优点集于一身的技术。经比较，反渗透技术、超滤膜技术以及纳滤膜技术相对适用于畜禽养殖废水处理应用。

2.1 反渗透

反渗透（RO）法在污水处理中的应用十分广泛，其工作原理是溶质与溶剂分离，利用膜两侧的溶液浓度不同产生渗透压差，能将除水分子以外其余物质隔离在膜一侧，无法透过反渗透膜。同时，在水体一侧施加压力，从而抵消高浓度侧向低浓度侧产生的压力差，使水分子运动方向发生逆转，达到净水的目的。

这种反渗透膜污水处理技术在大规模污水处理中经常使用，因为其采用的设备和原理比较简单，并且在常温下即可进行操作，同时能量的消耗较少，操作起来也更加方便，适用度高，出水的质量相比于其他工艺也更高。现如今，该技术正致力于应用在生活污水、工业废水、海水淡化及纯水提炼中，将该技术与其他技术结合能极大程度上提高出水效率及出水质量，在实际操作中还能大幅降低成本，当出水质量达到一定标准后，还可为实现水资源回收利用提供一条潜在的技术途径。在实际的应用过程中不难发现，应用该技术的整个污水处理过程都比较稳定，自动化水平高，系统脱盐率超过了95%。

反渗透装置如果长时间使用，会造成装置堵塞，即反渗透膜若不定期清洗，会造成膜分离性能降低。为了更好地保护反渗透膜装置，在装置中常常会安装过滤器，如若工作人员没有按照正常程序进行维护，就会造成反渗透膜装置的损伤，影响污水的处理出水质量。且该装置的应用对原水水源的水质要求较高，对于水质好的水源技术优势才能突出。还有一点就是，由于反渗透装置要在高压下运转，因此必须配置相应的高压泵和高压管路，但这与其本身膜技术运行成本低相违背。

因此反渗透技术的高压运行导致的高能耗和高膜污染问题，限制了其在畜禽养殖废水深度处理与资源化领域的有效应用。

2.2 超滤膜

超滤膜在废水处理中，可以有效去除大分子物质，如微粒、胶体、微生物等。超滤膜的直径在 0.001 ～ 0.02 μm，并不完全统一，可根据废水中需要过滤的杂质性质选用不同的膜孔径。

使用超滤膜对畜禽养殖废水进行处理时，可以选择组合膜技术对其进行处理，以减缓超滤膜膜污染，常用的组合膜技术为混凝-超滤膜技术和活性炭-超滤膜技术。

混凝-超滤膜技术主要应用于处理畜禽养殖废水中的有机物、金属离子等，该系统可根据是否增加沉淀工艺分为标准与在线混凝。标准混凝是在混凝后进行沉淀，可以去除不稳定的污染物或聚集体，在沉淀过程中，混凝剂水解物可以部分消除污染物，减少超滤膜阻力。而在线混凝则不进行沉淀直接进行膜过滤，混凝后能够在膜表面形成絮体拦截后续的微小絮体，从而避免微小絮体污堵膜孔，提高过滤通量，缓解膜污染，此外，在线混凝相较而言工艺流程简单，能够降低运行成本。

活性炭-超滤膜技术是在超滤膜前设置活性炭吸附预处理单元或者将活性炭负载在超滤膜上，由于活性炭具有特殊的孔隙结构和较大的比表面积，因此该技术具有较强的吸附作用，能够在有效去除水源中有机物的同时减缓对膜的污染。此外，粉末活性炭对颗粒物也有不错的去除效果，因此增加活性炭预处理技术能够有效降低跨膜压差增长速率，有利于增加膜通量，抑制膜污染，特别是有助于减缓部分不可逆的污染。但是过多的粉末活性炭会加大滤阻，导致跨膜压差加速增加。因此，超滤与粉末活性炭组合工艺的优点很多，但是粉末活性炭的回收与投加量问题还需要做进一步的研究。

2.3 纳滤膜

纳滤膜孔径比超滤膜小，平均孔径2nm左右，纳滤工艺介于反渗透工艺与超滤分离工艺之间，纳滤分离技术中的纳滤膜也具备选择透过性，主要用来分离小分子有机物和多价离子等，分离过滤效果更加显著。此外，纳滤膜内存在电荷，可利用膜浓差电位、电解质在膜内的渗透速率和截留性，有效分离畜禽养殖废水中的抗生素，能达到较好的废水处理效果。

采用纳滤膜进行污水处理时，通常采用组合工艺，常见的组合工艺是常规工艺-纳滤和深度处理-纳滤。

常规工艺-纳滤是将常规工艺作为纳滤膜预处理过程，大量实践应用结果发现，常规水处理工艺对有机物去除效果有限，但是能有效降低水的浊度、色度，将水的浊度降到1NTU以下。经过常规工艺预处理后，纳滤膜能进一步有效截留常规工艺不能截留的有机物和无机离子等物质，从而进一步提高出水水质。但该工艺通常对原水要求较高，若原水水质较好，可节约水处理成本，反之，不仅会造成膜污染，成本同样会提升。

深度处理（臭氧-生物活性炭）-纳滤是最具有应用前景的工艺之一。臭氧的添加可使大分子有机物氧化为中小分子类有机物，又为生物活性炭池中的好氧微生物提供充足的溶解氧，而活性炭单元对小分子类有机物具有显著吸附作用，使得活性炭表面以及内部的微生物能够将吸附的中小分子类有机物进行生物降解。因此，相比于其他几种工艺，臭氧-生物活性炭工艺不仅能够显著降低出水浊度，还能对小分子类有机物进行有效去除，从而防止纳滤膜的有机污染和生物污染。

3 前景和展望

在当今节能低碳减排的背景下，高效、低能耗、可回用的废水处理流程正在受到更多关注。针对畜禽养殖业本身成本高，利润低，难以承受高成本的畜禽废水处理工艺，在选择畜禽养殖废水处理工艺时，应优先考虑施工成本可控、运营管理成本较低、废水处理效果较好的工艺。针对畜禽养殖废水，本文提出可采用组合膜处理技术取代传统的“生化”处理技术。反渗透装置设备简单，初期使用效果较好，但对维护要求较高，长期运行后会影响出水质量。采用超滤膜时常采用组合膜技术对其进行预处理，混凝-超滤组合技术是目前较为常用的预处理技术，但诸如长时间运行膜通量降低和膜孔堵塞等膜污染问题依旧限制着该技术的发展。而深度处理（臭氧-生物活性炭）-纳滤是最具有应用前景的工艺，能有效防止纳滤膜的有机和生物污染。

采用组合膜进行畜禽养殖废水处理的过程中，污染物会在膜表面吸附沉积，进而堵塞膜孔，造成膜污染。而被污染的膜会直接导致膜通量的降低，使水处理的效果显著降低，同时缩短膜的使用寿命，增加工程造价。而在实际操作过程中想要完全避免膜污染是不可能的，因此，组合膜处理技术在实际运行中的主要难题仍是膜污染问题。影响膜污染的因素有很多，如膜的材质、膜的表面性能、混合液特性、pH等。后续需针对不同的影响因素进一步进行探讨，减缓膜污染的速率、延长清洗周期，这对于膜工艺的应用而言，具有重大的经济效益。

现如今膜组合工艺在污水处理领域已崭露头角，为了能够更好地发挥膜组合工艺的作用，今后应从以下几个方面进行研究：

（1）进一步研究膜污染的成因，建立相关模型，开发具有抗污染、抗氧化、高通量等特点的新型膜，这对缓解膜污染、延长膜寿命具有重大意义。此外，可联合应用其他技术形式对水源进行处理，勘查现场环境，明确污染物质，优化和开发新的组合工艺，针对不同的原水水质找出最佳的组合工艺，从而提高处理效率。

（2）为解决膜污染问题，保证出水效果，降低工程造价，常对膜进行清洗重复利用，常采用的清洗方式有高速水流冲洗、超声清洗、空气清洗等物理清洗方式和添加化学清洗剂进行化学清洗方式，目前这些清洗方式的效果还有待提高，因此研发经济可行的膜清洗方案十分必要。

（3）膜技术的应用成本较高，因而一般适用于经济相对发达地区。因此，还需要不断优化和改进制膜工艺，以降低制膜成本。

4 结束语

畜禽养殖废水是我国农业农村面源污染的主要污染源之一，具有水量大、水质条件恶劣、处理难度大、技术工艺要求高等特点。结合在市政环保领域广泛应用的膜技术对畜禽养殖废水进行处理和回用，分析了反渗透膜、超滤膜以及纳滤膜在畜禽养殖废水应用中的优缺点，提出使用组合膜处理技术可有效改善废水处理质量，提高废水处理效率，具有良好的应用前景。但同时，在畜禽养殖废水处理的过程中，膜污染问题还没有得到很好的解决，限制了其发展。因此，还需要进一步加大膜技术的研发和产业化推进力度，从而更好地服务于生活、生产和市政环保等领域。