蚯蚓滤床系统优化处理乳品废水：水力与有机负荷率对污染物去除及生物活性的影响机制

本研究针对乳品废水高有机/营养负荷的环境风险，通过调控蚯蚓滤床系统(VF)的水力负荷率(HLR)和有机负荷率(OLR)，系统评估COD、TN、TP等污染物去除效率与蚯蚓生物量动态。结果表明0.5-1.0 m3 m-2 d-1 HLR和2.5 kg [COD] m-2 d-1 OLR为最优工况，为农业废水低成本处理提供技术支撑。

　　

乳品加工业每年产生大量高浓度有机废水，含有化学需氧量(COD)、氮磷等污染物，传统 lagoon 储存或土地直接施用易导致营养盐淋失和温室气体排放。虽然活性污泥等常规处理技术效果较好，但存在能耗高、成本昂贵等问题。蚯蚓滤床(Vermifiltration, VF)作为一种新型生态处理技术，通过蚯蚓(Eisenia fetida)与微生物协同作用降解污染物，具有低能耗、无剩余污泥等优势，但其处理效能受水力负荷率(Hydraulic Loading Rate, HLR)和有机负荷率(Organic Loading Rate, OLR)的显著影响。

针对这一科学问题，美国华盛顿州立大学的研究团队在《Environmental Challenges》发表论文，通过60天小试实验系统评估了HLR(0.5-3.0 m³
m^-2
d^-1
)和OLR(1.3-7.6 kg [COD] m^-2
d^-1
)对VF系统处理乳品废水的综合影响。研究采用分层滤床设计，通过控制变量法测定污染物去除效率，并结合蚯蚓生物量变化揭示系统生物学响应机制。

关键技术方法
实验采用四级分层滤床（蚯蚓层+砂砾层），以实际乳品废水为处理对象，设置4组HLR梯度。通过HACH消解法测COD，凯氏定氮法测TN，钼酸铵分光光度法测TP，并定期监测蚯蚓种群数量与重量变化。数据采用R语言进行ANOVA方差分析和Tukey事后检验。

研究结果

3.1 有机物与氮素去除
低HLR(0.5 m³
m^-2
d^-1
)下COD去除率达51±2%，TAN(总氨氮)和NO₃
^-
-N(硝酸盐氮)去除效率分别为34±15%和49±23%。延长水力停留时间(HRT)促进了微生物降解与蚯蚓摄食作用。

3.2 固体物质去除
TS(总固体)和TSS(悬浮固体)在低HLR下分别去除28±4.6%和58±16%，主要依靠滤床物理截留和蚯蚓肠道转化。

3.3 磷形态转化
独特发现：低HLR导致正磷酸盐(ortho-P)出现负去除(-30%)，而高HLR(3.0 m³
m^-2
d^-1
)下反获12%去除率，表明流速影响磷矿化过程。

3.6 蚯蚓生物量响应
OLR=2.5 kg [COD] m^-2
d^-1
时蚯蚓数量增长83.3%，但OLR≥5.1 kg时生物量下降42.2%，证实过量有机负荷会导致缺氧毒害。

结论与意义
该研究首次明确了VF处理乳品废水的最佳运行区间：HLR 0.5-1.0 m³
m^-2
d^-1
对应OLR 1.3-2.5 kg [COD] m^-2
d^-1
。创新性发现包括：①HLR与OLR对污染物去除存在拮抗效应；②蚯蚓生物量可作为系统健康度指标；③磷去除机制异于其他污染物。研究成果为农业废水处理提供了可规模化的生态解决方案，尤其适合资源受限地区。未来研究可探索滤料改良与 hybrid 系统构建，进一步提升处理稳定性。