《Journal of Cleaner Production》：Transformation of organic matter in swine wastewater treatment via an artificially enhanced stratification system
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人工增强分层系统（AESS）高效处理高浓度猪场废水，COD、SS、TN、NH3-N、TP去除率均超98%，通过EEM-PARAFAC分析发现DOM从蛋白质类向腐殖酸类转化，垂直分层与季节变化显著影响有机质转化机制，验证了分层结构对污染物去除的协同作用。
Jue Wang|Benhong Liu|Rongting Xiang|Lixia You|Lei Liu|Yi Zhang|Yuqi Xie
四川大学建筑与环境学院，成都，610065，中国
摘要
本研究采用了一种全尺寸的人工强化分层系统（AESS），该系统由水平和垂直单元组成，使用廉价且容易获得的工业材料建造，用于中国广安一家集约化养猪场（约5000头育肥猪）的猪废水处理。在HRT为163天、OLR为0.2 kg COD/m3·天的运行条件下，AESS在九个月内实现了COD平均去除效率为98.8 ± 1.3%、SS为99.5 ± 0.8%、TN为98.3 ± 1.7%、NH?–N为98.6 ± 1.7%、TP为98.4 ± 1.7%。尽管DOC的去除率达到97.3%，但由于进水COD浓度较高（7256–88,081 mg/L），仍存在大量残留的DOM。为了研究其转化机制，我们利用激发-发射矩阵并行因子分析（EEM-PARAFAC）技术监测了处理池2中关键处理阶段（CK、T2、T4）以及不同垂直深度（表面、中间、底部）的溶解有机物（DOM）的组成和荧光特性。结果表明，处理过程优先去除类似蛋白质的成分，而微生物活动导致类似腐殖质的物质积累，并显著增强了腐殖化过程。垂直剖面分析显示，底层是稳定腐殖质的储存库，而表层则相反。季节性观察进一步表明，夏季条件促进了新鲜有机物的产生，而冬季条件增强了腐殖质的稳定性。综合这些多角度分析，证实AESS通过在其分层人工结构中固定DOM实现了高效的去除和转化。这些发现为该技术提供了理论基础，并为集约化畜禽废水处理提供了一个可扩展的、碳中性的框架。
引言
2024年，中国消耗了5795万吨猪肉，占全球总产量的约50.6%（数据来源：Dairy, Livestock and Poultry, 2025）。因此，猪废物的管理已成为一个重要的环境问题。猪粪便和废水占中国畜禽行业总排放量的近76.8%（Wu等人，2018年）。这种集约化养殖方式产生的废水含有高浓度的有机物、氮和磷，对可持续农业发展构成了严重挑战（Abid等人，2021年；Du等人，2021年）。
传统的猪废水处理工艺，如厌氧消化（Bekoe等人，2018年；Lourinho等人，2020年；Zhou等人，2021年）、序批反应器（Victor Lo和Liao，2007年；Lee等人，1997年；Suzuki等人，2002年）以及高级氧化工艺（Garcia-Segura等人，2019年；Park等人，2006年；Wu和Masten，2002年；Zhang等人，2018年），通常依赖大量的能源和化学药剂来提高污染物去除效率。好氧硝化-反硝化单元的能耗高达9.2 kWh/m3，占总处理能耗的约96%，给养猪场带来了沉重的经济负担（Ria?o等人，2014年；Vanotti等人，2009年）。由于自然系统的运行简单且能耗低，包括大型植物池塘（Dinh等人，2020年）、人工湿地（Wu等人，2015年）、高效率藻类池塘（HRAPs）（Oliveira等人，2023年；Shu等人，2025a）和废物稳定化池塘（WSPs）（Butler等人，2017年），仍然是大多数养猪场的经济选择。然而，这些系统经常面临一些固有挑战，如强烈的气味排放、出水质量不稳定以及维护需求。尽管通过优化池塘结构（Pearson，1996年）、更换底物（Feng等人，2021年）和采用串联配置的池塘（Hernández-Crespo等人，2022年；Okoro和Nwaiwu，2017年）取得了一些改进，但这些水体的基本水力结构仍是一个关键但研究不足的方面。
在自然水系统中，热分层和化学分层现象普遍存在，这在水柱中形成了不同的生物地球化学区域，极大地影响了溶解氧、营养物质和微生物群落的分布（Su等人，2019年；Winter，1995年）。值得注意的是，厌氧猪池塘也表现出明显的垂直分层，其中微生物种群动态和化学成分随深度显著变化（Lovanh等人，2009年）。然而，这些研究主要集中在连续处理阶段（即水平流道）的DOM转化上，对单个处理单元内的垂直分层效应关注较少。了解特定深度下的DOM转化机制对于阐明分层系统中污染物去除的机制至关重要。这突显了一个需要解决的问题：如何人工增强和稳定分层，以利用其自然优势进行废水净化。
DOM在决定净化效果和生物地球化学过程（Tang等人，2018年）中起着关键作用。猪废水是一种复杂的混合物，包含类似蛋白质的物质、类似腐殖质的物质、富里酸和其他非典型有机化合物（Zhou等人，2019年）。研究表明，增强大分子量有机物（>50 kDa）的水解和腐殖化程度可以显著提高DOM的生物可利用性。同时，在全尺寸猪废水处理过程中观察到不同处理阶段（混凝、A/O、沉淀和高级氧化）对DOM的选择性去除，强调了工艺组合对处理效率的重要影响（Li等人，2024年）。因此，阐明DOM的组成和转化机制对于优化处理设计和提高净化效率至关重要（Dong等人，2021年；Zhang等人，2019年）。EEM-PARAFAC技术为荧光DOM成分的定量分析提供了可能性（Le Coupannec等人，2000年；Liu等人，2023年）。
本研究在一家养猪场建造并运行了一个现场规模的AESS系统，用于处理未经预处理的高浓度猪废水。为了全面评估系统的性能，通过分析物理化学参数（水温、溶解氧（DO）、pH值、化学需氧量（COD）、悬浮固体（SS）、总氮（TN）、氨氮（NH?–N）和总磷（TP）来研究时空变化，并利用EEM-PARAFAC技术在不同季节和深度下对DOM进行表征。本研究的目标是：（1）评估AESS处理高浓度猪废水的可行性；（2）通过将分层环境因素与DOM组成和来源联系起来，阐明高效污染物去除和有机物转化的机制。最终，这项工作为开发受自然启发的、低能耗、高效率的处理技术提供了新的视角，为可持续畜禽废水管理提供了理论和实践指导。
系统设计与配置
该全尺寸AESS系统建立在中国四川省广安市的一家集约化养猪场（图1(a)）。系统由四个反应池组成，采用表面溢流方式排放废水。设计的日进水流量为60 m3，水力停留时间（HRT）为163天，有机负荷率（OLR）保持在0.2 kg COD/m3·天。进水水质特征见表1。
处理设备由浮力材料组装而成
AESS的污染物去除效率
在连续九个月的运行过程中，AESS保持了异常高且稳定的污染物去除效率，COD的平均去除率为98.8 ± 1.3%，SS为99.5 ± 0.8%，TN为98.3 ± 1.7%，NH?–N为98.6 ± 1.7%，TP为98.4 ± 1.7%（图2）。T4阶段的所有四种污染物参数（COD、SS、NH?–N和TP）均符合GB（18596-2001）规定的排放标准。尽管存在强烈的季节性波动，但这些高效率仍得以保持。
结论
研究表明，全尺寸AESS是一种稳健且自维持的配置，能够高效净化猪废水，在不同季节保持污染物的一致去除效果，并对运行冲击具有出色的韧性。
EEM-ARAFAC分析证实，C1（类似蛋白质的成分）转化为C2–C4（类似腐殖质/富里酸的成分），表明DOM发生了渐进性的腐殖化过程。FI、BIX和HIX反映了季节性的变化
局限性与未来展望
本研究存在一些局限性，需要进一步研究。首先，驱动分层区域中DOM转化的具体微生物机制尚未明确。其次，九个月的监测期不足以评估系统在极端条件下的长期性能稳定性和韧性，例如寒潮、过量降水、突然的有机负荷增加以及长时间的无流量情况。第三，气体排放（包括有气味化合物NH?、H?S等）也是一个需要关注的问题。
CRediT作者贡献声明
Jue Wang：撰写——原始稿件、方法论、调查、数据分析。Benhong Liu：撰写——审阅与编辑、方法论、概念构思。Rongting Xiang：撰写——审阅与编辑、调查。Lixia You：调查、数据整理。Lei Liu：撰写——审阅与编辑。Yi Zhang：撰写——审阅与编辑。Yuqi Xie：撰写——审阅与编辑、调查。
资金支持
本研究由猪废水处理技术开发项目（项目编号：24Z0042）资助，该项目由四川杜杜水环境科技有限公司委托开展。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢中国科学院山地灾害与环境研究所的Qiu Dunlian教授提供的宝贵意见，这些意见有助于改进手稿的质量。特别感谢四川大学的Qiu Xiaotao博士在数据分析方面的协助，以及成都纺织学院的Shui Yonghong教授在水质测试方面的指导。
