Treatment of biogas slurry of stored algae by biological contact oxidation combined with aquatic veg

Frontier of Environmental Science June 2014, Volume 3, Issue 2, PP.38-43

Treatment of Biogas Slurry of Stored Algae by Biological Contact Oxidation Combined with Aquatic Vegetable Constructed Wetland Sizhong Jia, Guangcan Zhu#, Jinwei Zhao, Xiwu Lü School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China #

Email: gc-zhu@seu.edu.cn

Abstract Stored algae of 0.55% solid containing rate was degraded by Anaerobic digestion and the concentration of COD, nitrogen and phosphorus was remained at 371.3,73.0 and 6.5mg/L respectively, which required the need for further processing and utilization.

The effect of stored algae treatment using biological contact oxidation combined with aquatic vegetable constructed wetland under different HRTs was investigated. Moreover, the operation characteristics and purification mechanism of the process were analyzed. Efficient removal of nitrogen, phosphorus and organics was achieved by this combined process. The removal rates of COD, NH4+-N, TN and TP reached 85%, 99%, 96% and 97%, respectively. The average effluent concentrations of COD, NH 4+-N, TN and TP were 37.6, 0.6, 2.8 and 0.2mg/L, respectively, which reached a level of first class stand in Discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant. Aquatic vegetables could be produced by utilizing the resource of nitrogen and phosphorus in wastewater. The results showed the biological contact oxidation combined with aquatic vegetable constructed wetland, which was suitable for biogas slurry of stored algae treatment, had the characteristics of energy-saving, high efficiency and simple operation.

Keywords: Stored Algae; Biogas Slurry; Removal of Nitrogen and Phosphorus; Biological Contact Oxidation Tank; Aquatic Vegetable Constructed Wetland

生物接触氧化-水生蔬菜人工湿地工艺处理陈藻厌 氧沼液研究* 贾思重，朱光灿#，赵晋伟，吕锡武 东南大学 能源与环境学院，江苏 南京 210096 摘

要：含固率为0.55%的陈藻经厌氧发酵处理后，产生的沼液中COD、氮和磷的平均浓度分别达到371.3、73.0和

6.5mg/L，需进行进一步的处理和利用。本文采用生物生态组合工艺，研究了不同水力停留时间条件下，生物接触氧化水生蔬菜人工湿地组合工艺对陈藻厌氧沼液的处理效果，并分析了工艺运行特性及净化机理。研究表明，组合工艺有较 好的有机物去除和脱氮除磷效果，对COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分别达到85%、99%、96%和97%，出水平均浓度 分别为37.6、0.6、2.8和0.2mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准，并可产出水 生蔬菜，实现氮磷的资源化利用。该组合工艺具有节能、高效和简易的特点，适用于陈藻厌氧沼液的处理。 关键词：陈藻；厌氧沼液；脱氮除磷；生物接触氧化池；水生蔬菜人工湿地

引言 陈藻是指湖泊大规模水华蓝藻暴发后，通过人工或机械打捞上来的蓝藻经长时间贮存而未经处理的腐 *

基金资助：受国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101005)、江苏省科技支撑计划项目 (BE2013328) 支持资助。 - 38 http://www.ivypub.org/fes

败藻水混合物。陈藻富含有机物、氮和磷等营养元素，而且可能有藻毒素的存在。蓝藻细胞死亡腐败后产 生臭味，严重污染空气，此外，由于雨水冲刷，通过地表径流或淋溶，陈藻可再次回流入水体中，引发二 次污染。目前，对陈藻进行厌氧消化产沼气处理是一种有效的处理方式，但厌氧发酵所排出的沼液仍含有 较高的COD及氮磷量，无法直接排放，必须采取合理的技术手段对沼液进行处理。厌氧发酵液的处置主要 有生化处理法、自然生态处理法和农业资源化利用3种途径[1]。生化处理工艺有：厌氧-加原水-间歇曝气(简 称Anarwia工艺)[2]、A/O工艺、SBR工艺、生物膜反应器等[3]，这些工艺对地处经济发达的大城市近郊、土地 紧张且无足够农田消纳陈藻水或进行自然处理的捞藻站而言，较为适宜。自然生态处理工艺主要包括：人 工湿地处理系统、生态塘处理系统、蚯蚓滤池处理系统等，如生态塘系统通过塘内种植水生作物，进行水 产和水禽养殖，建立人工生态系统，以太阳能为初始能源，将污水中的有机污染物降解和转化[4]；蚯蚓生态 滤池在是滤床中建立的人工生态系统，系统利用蚯蚓和微生物的协同作用对污水中各种形态的污染物质进 行处理和转化[5]。自然生态处理法具有建设管理费用低、节约能耗等优点。沼液的农业资源化利用主要应用 于肥料、生物农药、饲料和培养料液，其中作为生物肥料和生物农药使用是沼液厌氧发酵残留物的主要利 用方式[6]。本研究针对陈藻厌氧发酵后沼液中有机物与氮磷浓度较高的特点，将生物和生态处理工艺相结 合，在降解有机物的同时充分利用氮磷资源，重点考察“生物接触氧化-水生蔬菜人工湿地”组合工艺对陈 藻厌氧沼液的处理效果，分析工艺运行特性与污染物去除机理，为打捞蓝藻的处理处置与资源化利用提供 新的思路和方法。

1

材料与方法

1.1 试验用水与水质 以 含 固 率 为 0.55% 的 陈 藻 厌 氧 发 酵 后 的 沼 液 为 处 理 对 象 ， COD 、 氨 氮 、 TN 和 TP 浓 度 分 别 为 371.3±184.0、58.9±15.2、73.0±3.1和6.5±2.5mg/L，pH为6.5~8.5。课题组前期研究表明：沼液中有机物质含 量高且种类多 [7-8] ，BOD5/COD达到33.8%~47.6%，无机态的氮主要以NH4+-N的形态存在，硝态氮含量甚 微，有机氮主要以酰胺类有机物形式存在。

1.2 工艺流程及试验装置 试验地点为宜兴市周铁镇沙塘港村符渎港捞藻站，工艺流程如图1。 泵 厌氧沼液

进水箱

生物接触氧化池

水生蔬菜 人工湿地

出 水 排入池塘

图1 生物接触氧化-水生蔬菜人工湿地组合工艺流程

生物接触氧化池：生物接触氧化池采用PVC板材制作，池体尺寸为0.4m×0.3m×0.65m，有效容积为 60L，蠕动泵进水。内装组合填料，比表面积1000~2500m2/m3，空隙率98%~99%。曝气系统由风机、管路和 曝气头组成，设转子流量计控制曝气量。 水生蔬菜人工湿地：水生蔬菜人工湿地采用水生植物床，砖混结构，内部不填充任何基质。首端为进 水配水渠，末端为出水集水渠，中部是植物栽培区。栽培区共有3条水槽，长、宽和深分别为10m、1.0m和 0.3m，有效水深0.1m，池底坡度为1%，设计水力负荷为0.1m3/(m2·d)。人工湿地种植空心菜。

1.3 检测方法 水质分析采用标准方法[9]。COD：重铬酸钾法；TN：过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；NH4+-N：纳氏试 剂光度法；TP：钼酸铵分光光度法；BOD5：稀释与接种法；硝酸盐氮：紫外分光光度法。 - 39 http://www.ivypub.org/fes

结果与分析

2

2.1 生物接触氧化池运行效能分析 生物接触氧化池从2011年4月开始启动运行，30天后COD去除率稳定达到60%以上，生物膜驯化完成。6 月~7月，考察水力停留时间（Hydraulic retention time, HRT）分别为16h、12h、8h 和6h时生物接触氧化池的 运行效能。试验期间进水pH值为7.5~8.1，反应池DO为3~4mg/L，结果如表1。 表1 不同水力停留时间下生物接触氧化池对污染物的去除效果 -1

NH4+-N/mg·L-1

COD/mg·L

HRT /h

进水

出水

去除率/%

进水

出水

TN/mg·L-1

去除率/%

进水

出水

TP/mg·L-1 去除率/% 进水

出水

去除率 /%

16 253.2±54.8 84.9±17.5 66.2±3.9 59.6±5.0

29.2±3.5 50.9±5.8 76.3±5.6 59.9±5.6 21.5±3.6 5.6±0.3 4.0±0.14 29.1±4.7

12 202.4±28.0 73.8±15.4 63.9±8.4 59.6±5.0

28.6±3.3 51.6±4.2 69.2±5.8 51.5±6.0 25.5±7.2 5.9±0.5 4.7±0.31 20.3±8.0

8

302.5±65.0 93.4±12.9 67.9±7.6 41.1±10.1 29.7±5.0 26.6±5.9 49.0±11.2 39.6±8.6 18.9±3.8 6.9±0.4 5.6±0.38 19.6±3.8

6

248.8±30.3 103.0±9.4 58.0±6.1 48.6±10.2 35.7±6.4 25.7±7.1 56.5±11.3 45.0±8.9 19.9±4.8 6.4±0.6 5.5±0.42 14.5±3.7

结果表明，当HRT为6h时，COD的平均去除率较低；HRT大于8h时，生物接触氧化工艺具有较好的有 机物去除效果，平均去除率达到63.9%以上，但出水COD未达到（GB18918-2002）一级A标准。 生物接触氧化池对NH4+-N有较好的去除能力，系统曝气供氧有利于加强系统内NH4+-N的硝化反应[10]。 HRT对NH4+-N的去除影响较大，平均去除率随着HRT的增加而增加。当HRT超过12h时，平均去除率达到 50%以上，但小于8h 时，平均去除率急剧下降。其原因包括：生物接触氧化池内COD值较高，这使得异养 菌在与自养硝化细菌的竞争中占有优势，接触氧化池内硝化细菌难以形成优势菌种；HRT较短，硝化细菌 未有充足的时间将NH4+-N转化为硝酸盐氮；生物接触氧化池内可能形成了短流现象，使得含较高浓度NH4+N的水很快流出。由于反应器中不具备反硝化所需的缺氧条件，导致TN的去除率偏低。反应器中也不具备 生物除磷的条件，因此磷的去除率较低。表面上看，HRT对磷的去除率有较大影响，但磷的去除量的变化 与 HRT 不 呈 正 相 关 。 四 个 HRT 时 ， COD 、 TN 和 TP 的 去 除 量 之 比 ΔCOD:ΔTN:ΔTP=64.5~104.5:4.5~9.0: 0.45~0.8，基本符合好氧微生物增长对氮磷的需求比例，表明生物接触氧化池中氮和磷主要通过微生物的合 成代谢途径去除。

2.2 生物接触氧化池出水水质特征分析 水力停留时间为8h时，分析生物接触氧化池出水水质特征，结果如表2。 表 2 生物接触氧化池出水水质特征

单位：mg·L-1

日期

TP

溶解性TP

TN

溶解性TN

氨氮

COD

BOD5

8月6日

5.0

3.8

43.6

42.7

33.9

79.6

13.2

8月9日

2.6

2.5

42.4

38.6

31.6

70.8

11.6

8月12日

3.3

2.8

34.3

33.2

26.1

109.7

15.2

陈藻沼液具有高有机质、高氮磷浓度的特点，生物接触氧化工艺对COD具有较好的去除效果，但对氮 磷等营养物质的去除效果欠佳。生物接触氧化池出水BOD5/COD约为0.14~0.17，由于出水中含有纤维素等难 降解有机物，导致出水可生化性不高，限制了COD的进一步去除。表2表明出水中氮磷以溶解态为主，并呈 现低有机物、高氮磷含量的特征。该特征有利于植物对氮磷的吸收利用 [11]，因此采用水生蔬菜型人工湿地 进一步处理生物接触氧化池出水，在有效去除沼液中污染物的同时，实现氮磷的资源化利用。表1表明，延 长生物接触氧化池的水力停留时间，可以提高氨氮的去除效率，但由于氨氮比硝态氮更有利于植物的吸收 - 40 http://www.ivypub.org/fes

和利用[12]，并且延长水力停留时间对有机物和磷的去除没有明显促进作用，因此无需进一步延长生物接触 氧化池的水力停留时间。

2.3 水生蔬菜型人工湿地工艺特性研究 选择茎秆和根系发达的空心菜作为湿地植物，试验结果如表3。 表3 水生蔬菜人工湿地对污染物的去除效果 指标

进水/ mg·L-1

COD

89.2±16.4

38.0±8.2

55.3±14.8

TN

46.3±10.6

2.3±1.3

94.8±2.6

NH4 -N

30.7±5.4

0.6±0.6

98.1±1.9

TP

4.9±0.8

0.2±0.1

96.0±2.9

+

出水/ mg·L-1

去除率/%

表3表明水生蔬菜型人工湿地可以有效地去除生物接触氧化池出水中的污染物质。该湿地可以看成是一 种以植物根系为填料的生物反应器，植物生长中形成的细密网状根系垫层可将水中的悬浮性污染物过滤去 除，根系表面丰富的微生物可对有机物进行降解[13-14]。湿地运行稳定时，出水COD为30~40mg/L，平均去除 率达到55%。 湿地系统中TN的去除有多种途径，包括氨挥发、硝化/反硝化、植物摄取和基质的吸附、过滤、沉淀等 途径[15-16]。水生蔬菜人工湿地对生物接触氧化池出水中TN的去除率达到89%~99%，并受湿地进水水质的影 响。沿湿地水流方向，随着水中DO逐渐消耗，湿地底部的积泥呈现缺氧状态，底泥反硝化潜力沿程升高 [17]

，有利于反硝化的进行。除植物吸收和微生物去除途径外，定期收割湿地植物和清除积泥将部分有机物

及营养物移出水体[14]。 人工湿地对氨氮的去除受硝化菌数量及溶解氧的限制 [17] 。生物接触氧化池出水中DO与氨氮含量均较 高，促进了湿地中硝化菌的生长，因此湿地前端底泥硝化作用较强[17]。随着氨氮和溶解氧逐渐被消耗，硝 化强度沿程降低。试验中人工湿地对氨氮的平均去除率达到98%，出水平均氨氮浓度只有0.6mg/L。试验期 间较高的水温、空心菜发达根系的泌氧作用与合适的水力负荷，均有利于氨氮的去除。 人工湿地进水TP浓度为2.6~6.2mg/L，出水TP浓度为0.01~0.5mg/L，平均去除率达到96%。人工湿地通 过水生植物、基质和微生物的共同作用来完成对磷的去除 [18]。生物接触氧化池出水中磷形态以溶解性为主 （表2），有利于蔬菜的吸收利用，而颗粒态的磷则易于被湿地内空心菜形成的发达根系截留。因此空心菜 对磷的去除，一方面是以磷酸盐形式沉降并固结在由根系与积泥形成的基质上，另一方面是溶解性磷被植 物吸收[19]。

2.4 生物接触氧化-水生蔬菜人工湿地组合工艺对污染物的去除效果 在6月底至8月15日，考察了生物接触氧化-水生蔬菜人工湿地组合工艺连续运行时对污染物的去除效 果。生物接触氧化池水力停留时间为8h，池内DO为3~4mg/L，人工湿地水力负荷0.10m3/(m2·d)，其中7月中 旬收割空心菜一次，试验结果如图2。 组 合 工 艺 进 水 浓 度 变 化 较 大 ， COD 、 NH4+-N 、 TN 和 TP 的 平 均 浓 度 分 别 为 275.2L、 51.7 、 61.5 和 6.2mg/L，而出水水质较为稳定，COD、NH4+-N、TN和TP的平均浓度分别为37.6、0.6、2.8和0.2mg/L，平均 去除率分别为85%、99%、96%和97%，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB189182002）一级A标准。 组合工艺中生物接触氧化池以有机物的去除和氮磷的无机化作用为主，对有机物的去除量占总去除量 的58.6%，减少了沼液中的有机物含量，有效减轻人工湿地的有机负荷，避免在湿地内形成不利于植物生长 的厌氧区。沼液中有机态的氮和磷在生物接触氧化池中转化为无机态的以氨氮为主要形态的溶解性氮和溶 - 41 http://www.ivypub.org/fes

解性磷，有利于人工湿地中水生蔬菜的吸收利用。水生蔬菜型人工湿地以有机物的进一步降解和氮磷的去 除与利用为主，氮磷的去除量分别占总去除量的66.1%和81.2%。

(b) NH 4+-N

(a) COD

(c) TN

(d) TP

图 2 组合工艺对污染物的去除效果

因此采用好氧生物接触氧化-水生蔬菜人工湿地组合工艺处理含有较高有机物和氮磷量的陈藻沼液，在 使出水水质达标排放的同时，实现氮磷的资源化利用，可获得较好的经济效益，实现打捞蓝藻的可持续处 理处置与利用。

3

结论 （1）采用“生物接触氧化-水生蔬菜人工湿地组合工艺”对陈藻厌氧发酵沼液有较好的有机物降解和脱

氮除磷效果。试验水质条件下，生物接触氧化水力停留时间为8h、人工湿地负荷为0.10m3/(m2·d) 时， COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分别达到85%、99%、96%和97%，出水水质达到《城镇污水处理厂污染 物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。 （2）组合工艺中生物接触氧化池以有机物的去除和氮磷的无机化作用为主，水生蔬菜型人工湿地的功 能以有机物的进一步降解和氮磷的去除与利用为主，在使出水水质达标的同时，通过水生蔬菜的产出，实 现氮磷资源化利用。

REFERENCES [1]

Chen Yu-cheng, Yang Zhi-min, Chen Qing-hua, et al. An Overview on Disposal of Anaerobic Digestate for Large Scale Biogas Engineering [J]. China Biogas, 2009, 28(1): 14-20

[2]

Deng Liang-wei, Cai Chang-da, Chen Ge-ming, et al. Study and Application of Technology for Post-Treatment of Anaerobically Digested Effluent of Piggery Wastewater [J]. Transactions of the CSAE, 2002, 18(3): 92-94

[3]

Osada, T, Haga, K, Harada, Y. Removal of Nitrogen and Phosphorus from Swine Wastewater by the Activated Sludge Units with the Intermittent Aeration Process [J]. Water Res, 1991, 25(11): 1377-1388

[4]

Huang Mei, Li Xiao-bing. On the Research and Practice of Ecological Pond Techniques in Treating Wastewater in China [J].

Technological Development of Enterprise, 2004, 23(12): 19-21

[5]

Hao Gui-yu, Huang Min-sheng, Xu Ya-tong. Earthworms and Their Application to Eco-Environmental Protection [J]. Research of - 42 http://www.ivypub.org/fes

Environmental Sciences, 2004, 17(3): 75-77 [6]

Wang Yuan-yuan, Liu Rong-hou. Progress of Comprehensive Utilization of Biogas Slurry [J]. Journal of Anhui Agri. Sci, 2007, 35(4): 1089-1091

[7]

Xu Lijuan. A Study on Processing of Anaerobic Digestion of the Decomposed Cyanobacteria[D]. Nanjing:Southeast University, 2012

[8]

Yu Ya-qin, Lu Xi-wu, Wu Yi-feng, et al. Oxidation Ditch and Aquatic Plant Filter Bed for Treatment of Biogas Slurry from Anaerobic Digestion of Blue-green Algae [J]. China Water & Wastewater, 2013, 29(7): 20-23

[9]

The State Environmental Protection Administration. Determination Methods for Examination of Water and Wastewater (Fourth Edition) [M]. Beijing: China Environmental Science Press, 2002

[10] Zhu Qiong-lu, Lou Qian, Cui Li-hua. Purification Efficiency of Biological Contact Oxidation and Hybrid Constructed Wetland Combination Processes for Industrial Park Sewage Treatment [J]. Environmental Pollution and Control, 2012, 34(1): 37-41 [11] Hu Jin-hao. Study on Economic Aquatic Plants Floating Bed System for Eutrophication Water Auality Improvement [D].

Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2008 [12] Zhou Xiao-hong, Wang Guo-xiang, Yang Fei, et al. Uptake Kinetic Characteristics of Different Ammonium and Nitrate by Ipomoea aquatic Forsk [J]. Research of Soil and Water Conservation, 2008, 15(5): 84-87 [13] Jin Qiu, Wu Qi-ping, Shi Yong, et al. Research on Purification of Rural Sewage in Aquatic Vegetable Wetland [J]. Environmental Science and Technology, 2009, 22(6): 17-20 [14] Xiong Fei, Li Wen-zhao, Pan Ji-zheng. et al. Efficiency and Functioning of Nitrogen and Phosphorus Removal in Constructed Wetlands: A Review Wetland [J]. Science, 2005, 3(3): 228-234 [15] Zhang Jun, Zhou Qi, He Rong. Mechanism of Nitrogen and Phosphorus Removal in Free-water Surface Constructed Wetland [J].

Ecology and Environment, 2004, 13(1): 98-101 [16] Li Zhi-jie, Sun Jing-mei, Liu Bao-shan. Mechanisms of Denitrification and Dephosphorization by Constructed Wetland and its Research Progress [J]. Industrial Water Treatment, 2012, 32(4): 1-4 [17] Zhao Jin-wei. Study on Purification of Biogas Slurry of Stored Algae and Resource Utilization of Nitrogen and Phosphorus [D].

Nanjing, Southeast University, 2012 [18] Zhang Zhi-yong, Wang Jian-guo, Yang Lin-zhang, et al. Contribution of Plant uptake to Nitrogen and Phosphorus Removal of Four Simulated Wastewater Treatment Systems [J]. Soils, 2008, 4(3): 412-419 [19] Gu Guo-ping, Zhou Li-yan, Wang Sen. Primary Study on the Removal Efficiency of Nitrogen and Phosphorus of Eutrophic Water Body by Planted Float Ipomoea Aquatica Forsk [J]. Anhui Agri. Sci. Bull, 2008, 14(19): 111-112

【作者简介】 1

贾思重（1988-），男，汉，硕士研究

2

朱光灿（1972-），男，汉，博士，教授，主要从事生活污

生，主要从事水污染处理技术研究。

水深度处理及节能降耗工艺与技术、饮用水安全保障技术、

Email: jszloyal@163.com

微生物燃料电池技术研究。Email: gc-zhu@seu.edu.cn 3

赵晋伟（1986-），男，汉，硕士，主要从事水污染控制技

术研究。Email:150352773@qq.com 4

吕锡武（1954-），男，汉，博士，教授，主要从事水污染

控制、流域水环境保护研究。Email: xiwulu@seu.edu.cn

- 43 http://www.ivypub.org/fes