畜禽养殖废水紫外消毒中悬浮固体主导的拖尾效应：机制解析与模型预测在疫情防控中的应用

针对高悬浮固体(SS)畜禽废水紫外(UV)消毒中拖尾效应降低病原体灭活效率的难题，研究人员通过实验-模型结合的方法，揭示了SS粒径与粪大肠菌群(FIB)灭活拖尾的机制关联，建立全球首个SS粒径-拖尾预测模型(MAE=0.116)，为动物疫病期间废水生物安全管控提供关键技术支撑。

　　

研究背景
全球集约化养殖业的快速发展如同一把双刃剑——在提升生产效率的同时，也成为了动物疫病传播的温床。非洲猪瘟、沙门氏菌疫情等触目惊心的案例（2018年造成4346万头猪死亡）不断敲响生物安全的警钟。在这些疫情中，富含病原体的养殖废水扮演着关键传播媒介角色，其处理难点在于常规消毒手段对隐孢子虫(Cryptosporidium)等顽固病原体束手无策。紫外(UV)消毒技术虽能有效灭活这类病原体，却在处理高悬浮固体(SS)含量的养殖废水时遭遇"拖尾效应"——当UV剂量超过临界值(如513 mJ/cm²)后，病原体灭活效率陷入停滞，形成长达5 log₁₀ CFU/L的残留菌群。这种现象背后的SS粒径效应如同黑箱，严重制约着疫情防控中废水应急处理的效能。

技术方法
中国科研团队以典型奶牛场废水(SS=7855±105 mg/L)为对象，采用分级筛分技术分离不同粒径SS(20-1000 μm)，结合UV剂量梯度实验(0-1026 mJ/cm²)测定总大肠菌群和肠球菌(Enterococci)灭活曲线。通过胞外聚合物(EPS)组分分析、疏水性测定和蒙特卡洛模拟，建立全球首个SS粒径-拖尾预测模型。

研究结果

UV消毒中FIB的拖尾水平
在UV剂量达到513 mJ/cm²时出现明显拖尾现象，肠球菌拖尾水平(5.34 log₁₀ CFU/L)显著高于总大肠菌群(5.07 log₁₀ CFU/L)。这种差异源于二者在SS上的生态位分化。

SS粒径分布与FIB定植特征
尽管>1000 μm的SS占总量的43.9%，但85%以上的FIB聚集在<200 μm的细小颗粒上。这种"以小博大"的分布模式与细小颗粒表面富集的多糖类EPS(含量高出粗颗粒2.3倍)密切相关。

关键SS粒径阈值
通过分段回归分析确定总大肠菌群和肠球菌的临界SS粒径分别为337 μm和233 μm。这些粒径以下的SS通过双重机制阻碍UV消毒：光学衰减(UV吸收率提升47%)和物理屏蔽(微生物嵌入深度达8.2 μm)。

拖尾水平预测模型
整合SS粒径-拖尾关系的积分模型展现出优异预测性能(Nash-Sutcliffe效率系数=0.908)，其精度(标准差=0.134)可满足实际工程应用需求。

结论与意义
该研究首次阐明SS粒径通过"光学-物理"双途径调控UV消毒拖尾效应的机制，突破性地将临界SS粒径量化为生物安全控制靶点。所建模型为动物疫病暴发期间废水应急处理参数的智能调控提供决策工具，尤其对非洲猪瘟等重大疫情中的废水生物风险管控具有重要实践价值。从更广维度看，这项发表于《Water Research》的成果架起了环境工程与兽医学的学科桥梁，为"同一健康"(One Health)理念下的跨界防控提供了技术范式。