《Journal of Cleaner Production》：Enhanced phosphorus release and sludge reduction via a novel worm reactor: Process optimization and mechanisms
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蚯蚓反应器耦合机械搅拌与微曝气实现污泥减量与磷高效释放，通过响应面法优化溶解氧（1.0 mg/L）、初始污泥浓度（7000 mg/L）和水力停留时间（1.7 d），获得最大污泥减量速率732 mg/(L·d)和上清液磷释放54.2 mg/L。机制研究表明蚯蚓捕食通过破碎胞外聚合物和促进微生物代谢协同提升磷溶解度。
李立平|张静静|南俊|陈思琪|李慧|孙慧航|陈俊杰|左伟
城市与农村水资源与环境国家重点实验室（SKLUWRE），哈尔滨工业大学环境学院，哈尔滨，150090，中国
摘要
为应对过量污泥处理和磷（P）资源短缺的双重挑战，本研究开发了一种新型蚯蚓反应器（WR），该反应器结合了机械搅拌和持续弱曝气技术，实现了污泥减量与磷释放的同时提升。独特的反应器设计减少了蚯蚓的损失，同时创造了有利于磷溶解的异质微环境。通过利用蚯蚓的捕食作用，系统研究了溶解氧（DO）、初始污泥浓度（ISC）和污泥停留时间（SRT）对工艺效率的影响。通过响应面法（RSM）确定了最佳条件：DO 1.0 mg L?1、ISC 7000 mg L?1和SRT 1.7 d，实现了732 mg L?1 d?1的污泥减量率和54.2 mg L?1的上清液磷释放率。与对照组反应器相比，该反应器中的污染物释放量（COD、NH4+-N、TN、TP）显著增加，证实了蚯蚓捕食作用增强了磷的释放。机理分析揭示了磷迁移的协同路径：生物分解作用破坏了细胞外聚合物物质（EPS）和细胞，而微生物代谢促进了有机磷的矿化。这项工作为同时实现污泥减量和磷资源回收提供了一种高效策略，推动了可持续的废水管理。
引言
随着全球工业和农业的发展，磷（P）资源的重要性日益凸显（Xu等人，2025年）。作为一种不可再生资源（Yu等人，2022年），磷在肥料生产和汽车电池制造等过程中也起着关键作用（Wan等人，2024年；Wang等人，2024年）。在中国，磷酸岩的平均品位为16.8%，其储量与产量的比率低于全球平均水平（Luo等人，2023年）。如果年需求继续以3%的速度增长，中国的磷酸盐储量可能在未来几十年内耗尽（Yao等人，2024年）。这种短缺不仅威胁到粮食安全，还限制了战略性新兴产业的发展（Pe?uelas和Sardans，2022年）。在废水处理过程中，由于磷的单向流动，90%–95%的磷难以直接分解，最终积累在废水处理厂产生的污泥中（Zhou等人，2024年；Zhu等人，2022年），占干污泥重量的2%–10%（Hu等人，2018年）。从污泥中回收磷可以满足全球15%–20%的磷酸盐需求（Gao等人，2023年）。因此，利用生物捕食技术将污泥中的磷释放到上清液中是获取磷资源、缓解当前磷短缺的有效方法（Yu等人，2021年）。
生物捕食污泥减量系统通过引入微型动物（如原生动物）或后生动物（如寡毛类动物）（Zhang等人，2020年）来捕食废水处理中的污泥微生物（Suma和Stallforth，2025年；Wang等人，2017年），从而实现污泥减量。这一过程通过三种协同效应发挥作用：（1）微型动物的捕食通过食物链导致能量损失（Semblante等人，2014年）；（2）它破坏污泥絮体，释放有机物并提高污泥的溶解度（Shi等人，2022年；Xie等人，2025年）；（3）微型动物的捕食增加了磷积累生物（PAOs）和硝化菌的数量和活性，改善了污泥的氧化和代谢能力（Burian等人，2022年）。此外，生物捕食过程中的磷释放效率受多种因素影响（Azarian等人，2025年；Gholipour等人，2024年）：pH值影响磷的溶解度（Liu等人，2013年）；低pH值抑制微生物活性并减少有机磷向无机磷的转化（Pokhrel等人，2018年），而在9–10的初始pH范围内，碱性条件可以同时促进污泥分解并增加无机磷的生成：这一范围能够在7天内高效分解污泥，并最大化无机磷向上清液的释放，同时避免pH值超过10所带来的高运营成本和负面影响（Zhou等人，2018年）。有机酸（如醋酸）可以显著促进活性污泥中的磷释放（Dai等人，2021年；Zou等人，2017年）。活性污泥本身的特性，包括微生物群落结构和多磷酸盐含量，也影响磷的释放效率（Dai等人，2018年）。此外，适当的环境因素，如初始磷浓度、溶解氧（DO）和温度，对于维持微生物活性和促进磷释放至关重要（Osman等人，2023年）。运营参数和模式——特别是厌氧阶段的污泥循环比和水力停留时间，也对磷释放有显著影响（Coats等人，2011年）。在选择用于生物捕食的微型动物时，体型较大、处于较高营养级的寡毛类蚯蚓具有更广泛的捕食谱。它们具有多种优势，包括广温性、耐低氧性、对环境毒素的高抵抗力、低运营成本（Ferrentino等人，2023年）、高污泥减量效率以及生态效益（Lou等人，2023年），因此在污泥减量领域受到了广泛关注（Ding等人，2022年；Emamjomeh等人，2018年；Zhu等人，2016年）。
研究表明，在不同配置和运营模式下，生物捕食反应器中的污染物释放模式存在差异：Tian在多层多孔介质反应器中通过同时硝化-反硝化作用实现了显著的氮去除（总氮67.5%，NH4+-N减少63.0%）（Tian和Lu，2010年）；Wei（Wei等人，2009年）和Tamis（Tamis等人，2011年）构建的好氧生物捕食反应器仅发现上清液中的总磷（TP）含量略有增加；Li在周期性污泥投喂/排出的蚯蚓捕食反应器中发现了反硝化磷去除（DPR）现象，并观察到蚯蚓捕食显著增强了磷的释放。他们的上清液TP浓度超过了进水水平10倍以上，远超传统废水处理中典型的厌氧池浓度（Li等人，2019年）。
在传统的污泥减量系统中，通常不严格控制DO水平，磷的释放往往被忽视。这导致上清液中的磷浓度较低（通常低于3 mg L?1）（Yu等人，2023年）。此外，尽管Li的双曝气反应器阐明了磷的转化过程（Li等人，2019年），但它没有全面研究关键运营参数对污泥减量和磷释放模式的单独和交互作用，从而在系统优化方面存在不足。将这种蚯蚓反应器用于污泥处理，而非直接的家庭废水处理，具有显著的实际优势。本研究构建的WR反应器结合了机械搅拌和持续低强度曝气，使脱离的蚯蚓能够重新附着在填充材料上，从而减少了蚯蚓的损失并确保了工艺的稳定性。相比之下，这里研究的基于蚯蚓的方法提供了一种潜在的低能耗生物替代方案，实现了污泥减量和磷向液体上清液的同步释放，从而促进了营养物质的回收。
总之，本研究构建了一种WR污泥减量反应器，其特征是使用了平行的多层聚酰胺纤维多孔填料板，并结合了机械扰动和持续低强度曝气。WR作为一个独立的模块化单元，非常适合改造到具有多种主流处理工艺（如A/O、A2/O、SBR）的现有废水处理厂中，无需对主要处理基础设施进行重大修改。实验设计用于研究在不同运营条件下的蚯蚓捕食系统中的污泥减量和磷释放情况，包括DO、ISC和SRT。通过单因素分析和响应面分析相结合的方法，确定了WR反应器的最佳运营参数组合，以实现多目标优化。通过监测进水和出水污泥的性质以及水质变化，阐明了蚯蚓捕食过程中的污染物释放和物质迁移/转化动态，以及由蚯蚓摄食驱动的磷释放增强特性。这些发现对于优化废水/污泥处理工艺和促进磷资源回收至关重要。
部分摘录
废水和污泥的来源
实验中使用的活性污泥来自哈尔滨一个全规模废水处理厂（WWTP）的回流污泥泵站。该全规模工厂采用传统的厌氧-缺氧-好氧（A2/O）工艺进行同步生物营养物去除。污泥通过1毫米筛网过滤去除大颗粒沙子和其他杂质后，被接种到序批式反应器（SBR）中，并使用合成生活污水进行驯化。
单一因素（DO、ISC和SRT）对污泥减量和磷释放的影响
DO浓度显著影响WR反应器系统中的污泥减量和磷释放效率。实验结果表明，随着DO的增加，WR中的污泥减量和磷释放效率最初有所增加，随后又有所下降（图2a）。当WR反应器中的DO保持在1.5 mg L?1时，观察到最大的污泥减量率为735.8 mg L?1 d?1，上清液中的正磷酸盐浓度为34.4 mg L?1。
结论
本研究证明，这种新型蚯蚓反应器通过其关键设计特点实现了高效的污泥减量和磷释放同步。机械搅拌与持续低强度曝气的结合显著减少了蚯蚓的损失，确保了系统的长期稳定性。通过多层填料在反应器内创建分层的好氧、缺氧和厌氧微环境，对于驱动协同过程和增强
CRediT作者贡献声明
李立平：撰写——初稿，资金获取，概念构思。张静静：撰写——初稿，可视化，数据管理。南俊：验证，资源协调。陈思琪：软件，数据分析。李慧：撰写——审阅与编辑，方法学。孙慧航：撰写——审阅与编辑，监督。陈俊杰：数据分析，数据管理。左伟：项目管理，调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国博士后科学基金会（编号2020M681105）、国家自然科学基金（编号52100037）、城市与农村水资源与环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学）（编号2024TS14）和黑龙江重点研发计划（编号2022ZX02C17）的支持。
