Why worms (and microbes) are catching on as a manure pollution solution

为什么蠕虫（和微生物）正在成为解决粪便污染的解决方案 | MIT Technology Review

气候与能源

为什么蠕虫（和微生物）正在成为解决粪便污染的解决方案

至少在加州，这里已成为测试新兴畜牧排放治理方案的试验田。

安东尼·阿圭达在加州希克曼镇的阿尔贝托乳场展示了一小把生活在蚯蚓过滤系统中的蚯蚓。Joe Proudman/UC Davis

作者

• 詹姆斯·坦普尔 档案页面

2026年7月7日

执行摘要

作为第三代加州乳农，安东尼·阿圭达用耙子翻动着位于希克曼镇（该州农业腹地的一个小镇）家族土地上的一堆深色湿润木屑。

他双手插入泥土，抓起一团粪便，翻转后露出六条扭动的红蚯蚓。在我们面前这座三英尺高的木屑和碎河石堆中，可能还有数以万计的蚯蚓在表层之下蠕动，这座堆体的面积相当于六个足球场。这些天然材料构成了一个生物过滤器，可能显著减少每天数百头荷斯坦奶牛产生的大量粪便所生成的甲烷、氧化亚氮和水污染。

阿圭达家族经营的阿尔贝托乳场是加州首批采用这种粪便处理方案的牧场之一，该方案由智利公司BioFiltro开发并获得专利。据该公司称，美国已有另外八家乳场部署了这种所谓的蚯蚓过滤系统，另有16个系统正在建设或计划于明年启动，其中绝大多数位于加州。

蚯蚓过滤只是农民、企业和科学家为降低畜牧污染而采用的各种方法之一，随着畜牧业面临日益增长的压力，需要解决行业中最具异味的环节之一带来的环境危害。作为全国最大的乳制品生产州，加州已推出多项计划促进这些技术的采用，其中一项计划已向农场投入超过10亿美元。

研究人员强调，需要开展更多工作来确定最有效的方法、它们之间的权衡以及在实际农场条件下长期实施的成功率。

阿圭达表示，他和家人意识到随着环保法规趋严，必须采用新实践。他们被蚯蚓过滤技术吸引，因为与其它更高端的选项相比，这种方法更简单且成本相对较低。

“加州的乳农正面临越来越多的监管，”阿圭达站在农场的一个自由 stalls 舍旁说道，“这让我感到兴奋，因为它表明我们是解决方案的一部分。”

日益严重的粪便问题

粪便占畜牧作业产生的气候污染相当大的一部分。世界资源研究所估计，奶牛和生猪养殖场的粪便管理占美国温室气体排放量的1.6%。全球范围内，粪便储存和处理约占畜牧业对气候变化贡献的10%。

“过去二十年左右，农场规模不断扩大，因此产生了更多粪便——这些粪便必须储存在某处，”该组织的全球农业甲烷经理斯瓦蒂·赫格德表示。

通常，养牛场和养猪场会将粪便喷洒到池塘或储罐中，形成一种恶臭且含氧量低的泥浆，其中一种名为产甲烷菌的微生物得以繁衍生息。这些微生物会吞噬氢气、二氧化碳和其他化合物，并产生甲烷作为副产品。混合物中的其他微生物则会产生少量的氧化亚氮。

一对荷斯坦奶牛将头伸出自由躺卧式牛舍的栏杆，该牛舍属于阿尔贝托乳制品公司。

JOE PROUDMAN/UC DAVIS

这两种气体都是特别强效的温室气体，其百年间的升温能力分别是二氧化碳的30倍到近275倍。

这种泥浆通常会被施用于农田以增加土壤养分。但若过度或不当使用，这种做法可能会将药物残留、沙门氏菌和大肠杆菌等病原体以及硝酸盐污染土壤或地下水。渗入饮用水中的硝酸盐已被证实与多种健康风险相关。而流入河流、湖泊和沿海水域的硝酸盐则可能引发藻类大量繁殖，导致鱼类中毒、阻挡阳光、消耗氧气或形成缺乏海洋生物的大型沿海死区。

政策驱动

目前，多个地区、国家和州已通过法规或提供补贴以限制畜牧业粪便污染，但迄今为止，大多数主要举措都集中在控制水污染，而非温室气体排放。

例如，欧盟限制农民施用于农田的粪便量，并要求成员国监测地下水和地表水中的硝酸盐水平。美国《清洁水法》要求大型畜牧场获得许可并制定粪便管理计划以减少污染。

但加州或许在利用政府政策专门减少畜牧业甲烷排放方面做得最多。根据政府估算，乳制品行业占该州强效温室气体污染的约45%，其中超过一半来自粪便。

2016年，加州颁布了一项法律，要求乳制品企业、垃圾填埋场和其他企业到2030年将甲烷排放量减少至2013年水平的40%，这是该州为减少强效但寿命较短的温室气体污染而采取的更广泛措施的一部分。该措施要求加州空气资源委员会（该州主要的气候监管机构）设立各种激励计划，鼓励这些行业转向更清洁的实践。

“就投入产出比和短期效益而言，甲烷在实现气候目标方面能发挥重要作用，”加州农业韧性与可持续发展办公室主任塔尼·马塔（Tawny Mata）表示。

在这些各种计划以及州内牲畜数量减少的推动下，加州乳制品行业预计到2030年每年可减少相当于500万吨二氧化碳的甲烷排放。但根据该州估算，这一目标仍比2016年法律规定的减排目标少约400万吨。

乳制品厌氧消化器的弊端

排除由于国际竞争加剧和成本上升导致的牛群数量下降因素，加州预计的甲烷减排量大部分来自所谓厌氧消化器的使用。这项技术包括覆盖粪便池塘以防止甲烷泄漏到空气中，然后将沼气输送到单独的容器中进行净化并转化为天然气。

加州的低碳燃料标准计划规定，使用沼气发酵装置将沼气输送至天然气管道的奶牛场，可以通过出售碳信用额度来获得收入，这些信用额度可被石油炼化厂和其他主要污染企业购买，以帮助这些企业满足自身的减排要求。

这些沼气可用于发电、生产氢气或为天然气车辆提供动力。尽管这些用途仍会释放二氧化碳，但加州认为这属于气候治理的胜利，因为这种方式避免了甲烷的释放，而甲烷的温室效应比二氧化碳更强。

加州计划带来的丰厚收入在过去十年中促使美国数百家农场安装了厌氧消化装置。加州理工州立大学的研究人员在去年的一篇论文中指出，自2020年以来，该计划已为农场带来超过10亿美元的收益。

但这一模式也引发了许多担忧。

加州大学戴维斯分校动物科学系教授兼系主任Frank Mitloehner表示，这种模式仅适用于拥有约2000头奶牛或更多奶牛的大型农场，因为设备安装成本极高。

“对于绝大多数奶牛场来说，厌氧消化装置并不是可行的解决方案，”他说。

由于粪便仍经常被直接施用于农田，厌氧消化装置对解决水污染问题作用有限，甚至可能因发酵过程中的化学反应加剧污染问题。

宾夕法尼亚大学Kleinman能源政策中心高级研究员Danny Cullenward表示，流向厌氧消化装置的巨额补贴使资金、能源和关注点偏离了可能带来更全面环境效益的其他解决方案。他密切研究了加州的该计划，认为：“这并不是一个可扩展的解决方案，它将大量宝贵资源投入到我认为大部分并非正确答案的方向。”

替代方案

厌氧消化装置高昂的前期成本和局限性催生了对替代方案日益增长的兴趣——其中许多方案通过减少甲烷生成来实现减排，而不是将甲烷转化为可售燃料。

其中最便宜、最简单且最受欢迎的方法被称为固液分离，它使用螺旋压榨机等简单设备将粪便浆液中的大部分水分挤出。剩余的固体变得干燥并暴露在空气中，从而摆脱了甲烷容易生成的无氧环境。

其他方法包括增加氧化塘的酸度、向其中注入空气，或向浆液中添加食甲烷微生物，这些方法都通过改变化学条件来减少甲烷排放。华盛顿州Sedro-Woolley的Sedron Technologies公司还开发了一种高科技固液分离方案，可以从动物粪便中提取多种可销售产品，包括液体有机肥料。

加州设立了两个额外的项目——“替代粪便管理计划”和“奶牛场+计划”，帮助小型农场采用这些替代方案。

大部分资金用于支持固液分离系统。但加州也拨款超过1800万美元支持15个蚯蚓过滤项目。Alberto奶牛场在这两个项目中获得了近200万美元的资金。

奥利奥奶牛

当我沿着奶牛场边的尘土飞扬的道路行驶时，黑白相间的牛群——人们亲切地称它们为奥利奥牛——将头伸过开放式谷仓的栏杆，啃食着沿着建筑结构散落的金色青贮饲料。阿格达的祖父安东尼奥·阿尔贝托于45年前在加利福尼亚州附近的阿特沃特创立了这家奶牛场，但最终于1989年定居在人口仅604人的希克曼镇。

一系列大型金属装置将粪便废水中的大部分固体物质分离出来。

此时正值三月中旬，但中央谷地的气温已超过80华氏度，这里被沿海山脉阻挡，无法与凉爽的太平洋空气接触。齐膝高的燕麦秸秆在田野中摇曳，远处是一排排杏仁树。

刚从弗雷斯诺州立大学毕业的阿格达现在协助管理农场运营，她与研究蚯蚓过滤技术的加州大学戴维斯分校的米特洛纳一起在谷仓旁迎接了我。（加州大学戴维斯分校与该农场没有关联，但该校协助促成了这次会面。）

他边带我们沿着土路前行，边解释蚯蚓过滤系统的运作原理，他们于2024年10月开始使用这套系统。

与之前相同，冲洗系统将谷仓地板上的粪便冲入一个大型收集坑。但现在，一组泵将废水通过一系列大型V形金属装置输送至附近混凝土平台上的结构，机械筛网将水中的大部分固体物质分离出来。

传送带将固体物质运走，农场将其用于牛舍垫料或肥料。剩余的液体通过管道系统流动，首先进入沉淀池，然后进入悬挂在蚯蚓过滤床上方的灌溉系统。这个长长的管状结构在铺设于碎石轨道上的轮子上移动，随着移动将水洒在木屑上。根据BioFiltro的说法，生物滤池中的蚯蚓和各种微生物会开始分解剩余的固体物质。

灌溉系统将废水洒在蚯蚓过滤床上。

“水洒在表面后，从开始到结束大约需要四小时就能渗透到底部排出，”阿格达说。

随后他让米特洛纳解释这个过程背后的科学原理，并补充道：“我只是个养牛人。”

科学原理

米特洛纳表示，他第一次听到BioFiltro的宣传时持怀疑态度，特别是该系统声称能够几乎消除氮元素，从而减少氨和硝酸盐等污染物的说法。

因此，他决定研究位于加州希尔马尔镇（距离此处约20英里）的范内利奶牛场类似装置。他与同事监测了液体流经过滤器前后取样的废水排放情况。在2018年发表的一篇论文中，研究人员得出结论：蚯蚓过滤系统可将处理后水中的氨排放量减少约90%。

BioFiltro的标语是“以蚯蚓为动力的解决方案”，其技术说明称该系统“通过催化蚯蚓和微生物的消化能力，可去除高达99%的废水污染物”。

但米特洛纳质疑无脊椎动物在这一过程中的作用，称这“更像是一个吸引人的叙述”。

他的观点更为简洁：岩石和木屑形成了一个多孔过滤器，将粪便池厌氧环境替换为好氧环境。在富含氧气的环境中，不同类型的微生物得以繁衍生息。

他的研究表明，这些微生物能高效地将粪便中的氮化合物转化为氮气——一种无害气体，占地球大气的78%——而不是转化为氨气。这一点值得关注，因为虽然粪便中的氨在施用于农田时可作为肥料，但也会转化为可能渗入地下水的硝酸盐。

由BioFiltro及其区域分销商之一Organix部分或全额资助的几项较新研究也得出了类似令人鼓舞的结果。例如，2022年发表在《Bioresource Technology Reports》上的一项研究（同样在Fanelli Dairy进行），得出结论称该过滤器去除了运营过程中废水约85%的氮。

但令人困惑的是，关于甲烷的研究结果却截然相反。这些研究以及Mitloehner独立进行的研究发现，甲烷的处理效果几乎完全相反。

尽管公司支持的研究和合作伙伴资助的研究都得出结论称该过滤器消除了绝大多数甲烷污染，但Mitloehner的研究却发现甲烷排放量比粪便池高出近85%。

在后续的电子邮件交流中，Mitloehner强调，将他的研究结果与同一家奶牛场其他研究的结果进行比较并不合适，因为研究团队使用了截然不同的方法、仪器和测量周期。此外，他的研究重点是氮的影响。

Anthony Agueda在他家族的奶牛场的蚯蚓过滤床中用耙子翻动土壤。

他表示，"从生物学角度来看，蚯蚓过滤技术显著减少甲烷排放是完全合理且可能的，仅仅通过创造好氧环境就能实现这一点。"

他补充道："但我要谨慎地认为，减排幅度的大小仍是一个尚未完全确定的问题。虽然包括你提到的研究在内的现有研究都指向相同的大致方向，但独立研究的数量相对有限，结果可能会有所不同。"

BioFiltro公司质量与研发副总裁Patrick Beckett也强调，Mitloehner研究中存在关键的方法论差异，可能影响了他的甲烷研究结果。此外，他表示Organix的资金来源于华盛顿州的拨款，并将该研究和BioFiltro支持的研究描述为"高质量、经过同行评审"的研究，"已提交给其他第三方技术机构进行审查和认可"。

Beckett表示，他认为对BioFiltro系统的额外独立审查是"公平且必要的"，并指出其他研究已经开展或正在进行中。

"但话说回来，"Beckett在回复MIT Technology Review的电子邮件中写道，"要求BioFiltro不能投资于由合格第三方进行的技术研究来了解我们技术的性能，并利用这些研究结果进入新市场，以及理解我们能为项目或整个行业带来的价值（超越水处理领域），这似乎不合理。"

奶牛场的收益

BioFiltro已经围绕现有研究结果构建了商业模式。

该公司的业务始于2009年，多年来一直向全球其他行业的客户提供蚯蚓过滤系统或相关服务。据称目前已有约225个系统在九个国家运行，覆盖市政污水处理设施、葡萄酒酿造厂、水果加工厂及其他工业场所。

总部位于美国加利福尼亚州戴维斯市的BioFiltro公司发现，随着乳制品行业面临日益增长的粪便污染治理压力，其系统在乳制品企业中的需求正在上升。去年年底，该公司成功融资3500万美元，据称将主要用于加速在该领域的业务扩展。

在采访中，公司农业业务高级副总裁Sarah Ploss解释了与乳制品企业合作的基本财务模式：BioFiltro负责支付、拥有、安装并运营系统，而农场则承担额外电力、运营和维护成本的一部分。

Ploss表示，乳制品企业可以回收到清洁的水，并专注于其核心业务——生产牛奶。对于BioFiltro而言，可通过减少温室气体排放获得碳信用，然后将其出售给希望在供应链中解决排放问题的消费品制造商。

据Verra（制定并评估温室气体碳信用项目标准的机构）登记，BioFiltro的两个项目——华盛顿州的Royal Dairy和Moxee Dairy已获得认证。

据CarbonPlan管理的抵消数据库显示，瑞士巧克力巨头雀巢公司已购买了Royal Dairy蚯蚓过滤系统产生的超过15万个碳信用。Ploss表示，截至目前BioFiltro已从该项目售出超过20万个碳信用，并提到他们在加州的另一个项目已找到不同买家（但未透露买家身份）。

Alberto Dairy的蚯蚓过滤系统已清理了其运营各环节循环使用的水。

Ploss在电子邮件中表示，另有三个涉及BioFiltro系统的项目已初步向Verra提交注册申请但未推进实施。据估算，Alberto Dairy的系统每年可减少相当于3.04万吨二氧化碳当量的排放。

BioFiltro还可通过销售其所谓的蚯蚓堆肥获得额外收入，这种富含养分的土壤改良剂由生物过滤器中的剩余材料组成，包括蚯蚓粪便（由虫卵、排泄物和残骸混合而成）。在零售市场，蚯蚓粪便的价格每吨可达500多美元。

Beckett表示，公司仍在开发这一市场，但指出这可能有助于行业抵消不断上涨的肥料成本。

“我认为我们将推动这种技术在农业领域的更大规模应用，”他表示，“这些设施最终将成为基本的土壤生产工厂。”

担忧

专家表示，要确定蚯蚓过滤和其他粪便管理方法的实际效果，还需要更多时间和研究。

Katharine Dickson 是一位农业排放科学家，她最近刚完成在加州大学戴维斯分校的博士后项目。她表示，应进行实地核算以确保这些方法的实际效果达到预期，或至少符合政府政策项目所假设的程度。她补充说，由于开放式农场上活体动物和微生物群落中动态的生物过程，实现这一目标颇具挑战性。

“例如，蚯蚓过滤技术依赖于活蚯蚓种群，其表现对温度、湿度和毒性敏感，且可能随着季节变化或农场牛群规模及粪便特性的变化而发生波动，”Dickson 在一封电子邮件中表示。

利用碳信用从蚯蚓过滤项目中获利会引发另一系列潜在问题。最明显的是，如果甲烷减排效果不如预期显著，这些项目可能会获得超出实际的碳信用额度。

还有更复杂的问题需要考虑。Grayson Badgley 是 CarbonPlan 的研究科学家，他表示，为了真正减少大气中的温室气体净排放量，碳信用体系必须产生那些在没有经济激励的情况下不会发生的减排效果。如果这些减排本就会发生——例如，由于富裕的资助、法律压力或迫在眉睫的政策——那么购买碳信用的机构无法正当声称自己在应对气候变化方面取得了进展。

在这方面，如果加州农业未能实现迫近的甲烷减排目标，该州提供的激励措施可能会被强制措施取代。加州空气资源委员会最近开始讨论强制性规则，以迫使农业部门达到2016年法律规定的40%减排目标，而非仅是推动。

Badgley 在一封电子邮件中写道：“如果许多乳制品企业在即将出台的法规前就开始改善排放，那么很明显是法规本身，而非碳抵消措施，推动了这些行动。在截止日期前尽可能多地收集碳抵消额度虽然符合市场规则，但仍会引发疑问：这些规则是否真正促成了实质性的气候行动？”

投资可持续性

Beckett 不同意即将到来的法规会削弱当前项目产生碳信用的合理性。

“加州确实设定了希望实现的净减排目标，但很明显，加州一直倾向于市场导向的解决方案，并通过资助计划提供了一些支持，”他写道。“我属于公司业务的科学部门，而非业务拓展部门，但可以坦率地说，如果没有自愿碳信用的销售，我们不会在加州乳制品农场安装这些系统。”

Ploss 也强调，公司会通过严格的“验证和确认流程”在农场进行评估，以了解蚯蚓过滤技术能减少多少温室气体。

Ploss 表示：“我们有传感器、摄像头和各种设备，可以全天候监测所有系统。我们通过取样了解情况，通过系统处理的物质和排放物了解情况。我们通过每月的测量数据了解：该系统在生成碳信用方面做了什么？”

Agueda 也对这一批评表示异议。

“如果没有生成碳信用的能力，蚯蚓过滤系统的安装就不会发生，”他在一封电子邮件中写道。“该项目需要大量的资本投资，而预期的碳信用收入是使这项投资在财务上可行的关键因素。”

Anthony Agueda 帮助领导 Alberto Dairy 的运营。

加州决定通过激励蚯蚓过滤等方法来推动该项目，因为其可以带来多重效益，包括提供更清洁的水、减少氮含量、降低温室气体排放，同时还能从粪便中创造经济价值。加州农业部高级环境科学家 Roberta Franco 在回复 MIT Technology Review 的电子邮件中写道。

她补充说，这一决定基于多项研究以及由科学家、技术专家和其他人士组成的小组于 2022 年提出的建议。

即使加州在某些方面犯了错误，尤其是将过多资金投入到厌氧消化器而忽视了其他方法，但它还是创建了一个取得了实际进展的试验实验室，并为其他地区提供了可借鉴的经验。无论怎样，如果希望真正减少粪便排放的温室气体，全球更多地区都将需要设立类似的项目，提供更多支持或制定更严格的规则。旧金山非营利组织 Spark Climate 的农业氮转化计划负责人 Maria Bowman 表示。

对于 Agueda 来说，蚯蚓过滤系统为他家的农场带来了诸多好处，而他们几乎未为此额外付出成本。通过净化循环流经冲洗和灌溉系统的水，生物过滤器减少了堵塞，降低了异味，并改善了牛群的健康状况。

他表示，每一代人都以自己的方式推动乳制品农业的现代化。例如，他的父亲和叔叔将计算机和数据管理系统融入了 Alberto Dairy 的日常运营中。他认为，这一代人的责任是做出类似的努力，以减少长期困扰该行业的污染。

“我们深知下一代必须投资于环境可持续性，”他表示。“我们不确定它是否能成功，但结果让我们非常满意。”

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