晚期垃圾滲濾液厭氧氨氧化脫氮及其抑制動力學

李 蕓,李 軍*,蔡 輝,陳 剛,侯愛月,胡 嘯,卞 偉,國瑞峰,劉一夫

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晚期垃圾滲濾液厭氧氨氧化脫氮及其抑制動力學

李 蕓1,李 軍1*,蔡 輝2,陳 剛2,侯愛月1,胡 嘯2,卞 偉1,國瑞峰2,劉一夫2

(1北京工業大學建筑工程學院,北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京 100124；2.中國城市建設研究院有限公司,北京 100012)

采用晚期垃圾滲濾液對UASB反應器中無機環境培養條件下厭氧氨氧化菌進行馴化,探討基質濃度和水力停留時間對系統運行性能的影響,通過批式試驗分別對基質和垃圾滲濾液抑制厭氧氨氧化動力學進行測定并建立相應的動力學模型.結果表明,經過75d的運行,系統逐漸適應垃圾滲濾液并實現高效脫氮.基質的去除量隨進水基質濃度的升高呈先升高后降低的變化趨勢.隨著HRT的延長,進水基質及滲濾液濃度逐漸升高,系統脫氮效果降低.厭氧氨氧化基質抑制的閾值是NH4+-N濃度為489.03mg/L和NO2--N濃度為192.36mg/L.當以銨鹽為抑制劑時,max(NH4+-N)為0.1893mg/(mg·d),半飽和常數為39.39mg/L,抑制動力學常數為3482.27mg/L.當以亞硝酸鹽為抑制劑時,max(NO2--N)為0.246mg/(mg·d),半飽和常數為43.19mg/L,抑制動力學常數為701.15mg/L.厭氧氨氧化受垃圾滲濾液影響尤為顯著,垃圾滲濾液條件下厭氧氨氧化活性被完全抑制的濃度為1450.69mg/L (以COD計) .

晚期垃圾滲濾液；厭氧氨氧化；脫氮；抑制動力學

垃圾填埋場所產生的垃圾滲濾液具有有機物和氨氮濃度大、高鹽度以及重金屬繁多等特點[1-2],如果處置不當則會對周圍的地表和地下水造成危害.垃圾滲濾液根據填埋時間的長短分為早期、中期和晚期,早期垃圾滲濾液中的碳氮比較高,且有機物大多易生化降解,在常規硝化反

硝化脫氮工藝中可為反硝化菌利用,從而節省碳源投加;而晚期垃圾滲濾液中的碳氮比較低,且大多為難降解有機物,在采用常規硝化反硝化工藝脫氮過程中需要補充大量碳源,造成處理成本增高[3].此外,常規硝化反硝化脫氮工藝會產生大量污泥,增加水廠運行負擔.實現晚期垃圾滲濾液的高效低耗脫氮是目前的難題之一.

厭氧氨氧化工藝是一種新興的高效節能脫氮工藝,其原理為厭氧氨氧化菌利用氨氮和亞硝氮為基質,并以無機碳作為碳源,以實現自養脫氮[4];該工藝是目前最為經濟快捷的脫氮途徑[5-6],在污廢水生物脫氮領域(尤其是低有機碳高氨氮污廢水)應用前景廣闊.對于晚期垃圾滲濾液來說采用厭氧氨氧化工藝進行脫氮是比較適合的[7].然而,厭氧氨氧化菌生長緩慢,繁殖周期長[8-9],且其活性易于被污廢水中的有機物[10-11]、鹽度[12-13]和重金屬[14]等毒性物質抑制.此外,高濃度的基質也會對其活性產生抑制作用[15-16],從而導致工藝難于高效穩定的運行.

因此,本文擬采用晚期垃圾滲濾液對無機環境培養條件下厭氧氨氧菌化進行馴化,穩定運行后分別提高基質進水濃度和調節系統水力停留時間,考察基質及垃圾滲濾液對系統運行性能的沖擊以及探討運行過程中的基質及垃圾滲濾液抑制,并通過批試試驗分別對基質及垃圾滲濾液的抑制動力學進行測定并建立相應的動力學模型.以期為晚期垃圾滲濾液厭氧氨氧化工藝脫氮的實際應用及運行提供參考和依據.

1 材料與方法

1.1 試驗種泥和裝置

種泥為本實驗室升流式厭氧污泥床(up- flow anaerobic sludge blanket, UASB)厭氧氨氧化反應器(有效體積為50L)中采用無機配水培養的ANAMMOX顆粒污泥,顏色為磚紅色,反應器中ANAMMOX細菌種屬主要為(JX852965-JX8529 69), 該反應器已穩定運行2~3年.試驗接種污泥濃度(MLVSS)為5g/L左右.

圖1為試驗所采用的UASB反應器,其有效容積為10L,采用黑色軟性材料包裹以避光,內部上1/3部分添加直徑為10cm的球形填料以減少污泥的流失.進水由蠕動泵泵入反應器底部,控制溫度為25℃左右,HRT為1.2h,進水pH值為7.5~8.0.

1.2 抑制動力學批試試驗

取UASB反應器中厭氧氨氧化顆粒污泥(第74d),采用磷酸緩沖鹽溶液(phosphate buffer saline, PBS)清洗3遍以去除基質,經濾紙過濾后用分析天平稱取濕污泥12g加入至500mL血清瓶,瓶口橡膠塞開有3個孔,分別用于取樣、水封及插溫度探頭.溫度控制在(25±1)℃,pH值為7.5~7.8,采用10mL注射器取樣,厭氧氨氧化活性和反硝化活性試驗用高純氮氣(99.999%)曝氣30min以脫氧.采用磁力攪拌器控制溶液混合均勻,磁力攪拌器轉子轉速控制在200r/min左右.以NH4+-N為單因子抑制的序批式試驗中,控制其他條件一定, NH4+-N所設梯度分別為:60,100, 150,200,300,500,700,900mg/L左右.以NO2--N為單因子抑制的序批式試驗中,同樣控制其他條件一定,而NO2--N所設梯度分別為:80,100,150, 200,250,300,400,500mg/L左右.滲濾液抑制序批式試驗中,以COD計,所取垃圾滲濾液濃度梯度分別為:0,120,230,460,780,980,1260mg/L左右,并以氯化銨調節各梯度NH4+-N濃度至460mg/L左右,以消除基質濃度的影響.以碳酸氫鈉和鹽酸調節堿度和pH值恒定,在恒溫培養箱中進行試驗,每間隔1h取樣測定NH4+-N、NO2--N和NO3--N,反應結束后,采用干燥稱重法求得MLSS,并計算氨氮和亞氮的去除速率.所有測試設3個平行并求平均值.

1.3 垃圾滲濾液與試驗水質

試驗所用滲濾液取自北京某垃圾填埋廠(填埋年限大于5年),為晚期滲濾液,取回后密閉貯存于塑料桶中,平均每月更新一次.具體水質如下: NH4+-N為900~1500mg/L, NO2--N為0~2mg/L,硝態氮為0~8mg/L,COD 2000~4000mg/L,pH值7.5~8.5,堿度6000~10000mg/L.試驗進水以自來水稀釋垃圾滲濾液至所需氨氮濃度,并配以適量的亞硝酸鈉以提供厭氧氨氧化所需的電子受體.

1.4 測試分析方法

采用納氏試劑光度法測定NH4+-N[17];采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定NO2--N[17];采用麝香草酚分光光度法測定NO3--N[17];采用過硫酸鉀氧化—紫外分光光度計法測定TN[17];采用重量法測定懸浮固體(MLSS)[17];采用WTW/Multi3420便攜式測定儀測定pH值、DO、溫度.

2 結果與討論

2.1 晚期垃圾滲濾液對厭氧氨氧化菌的馴化

實驗接種污泥為無機環境下培養的ANAMMOX顆粒污泥,運行的前7d進水為無機模擬廢水,接種ANAMMOX菌活性較高,第7d時NH4+-N、NO2--N及TN去除率分別為94.96%、98.59%和79.73%;在第8d加入滲濾液,其COD容積負荷為0.63kg COD/(m3·d),如圖2所示,滲濾液中的有機物以及一些毒性物質對反應器中的ANAMMOX菌造成一定影響,NH4+-N、NO2--N及TN去除效果分別降低至71.51%、78.77%和64.14%;后經過大約7d的培養運行,其去除效果逐漸恢復至86.46%、98.84%和85.56%,并連續7d在高效脫氮的狀態下穩定運行;第25d時,提高系統進水滲濾液濃度,COD容積負荷為1.60kg COD/(m3·d),滲濾液濃度提高帶入大量的有機物及毒害物質對污泥活性產生抑制,NH4+-N、NO2--N及TN去除率逐漸降低,在第33d時,其去除率僅為34.45%、47.60%和37.66%,而后活性污泥逐漸適應該濃度滲濾液下的水質,其活性逐漸恢復,到47d時,去除率恢復至70.69%、88.01%和72.62%;之前進水NO2--N/NH4+-N平均比值為1.16,低于厭氧氨氧化反應理論比值1.32;且在加入垃圾滲濾液后,因為有機物的存在,有部分NO2--N會因系統內的反硝化反應同步去除,從而導致用于厭氧氨氧化的NO2--N不足;因此,第48d時在維持進水NH4+-N及進水滲濾液濃度不變的情況下,適當提高NO2--N的濃度,以滿足厭氧氨氧化所需的電子受體;進水NO2--N/NH4+-N平均為1.42,稍微高于厭氧氨氧化理論比值1.32;此階段,NH4+-N和NO2--N出水平均濃度分別為6.09mg/L和5.97mg/L,在后10d(65~75d)NH4+-N、NO2--N和TN的平均去除率分別為96.12%、95.24%和86.66%;由此可見,ANAMMOX菌已經逐步適應垃圾滲濾液,并獲得了較高的脫氮效果.

2.2 基質濃度對厭氧氨氧化的影響

NH4+-N和NO2--N是厭氧氨氧化的基質,然而如果濃度過高也會抑制其活性.為考察反應器運行效能及基質濃度對系統的影響,通過投加氯化銨和亞硝酸鈉分階段提高進水基質濃度,直至TN出水去除率低于50%,共6個階段,每個階段運行10d;6個階段進水基質NH4+-N和NO2--N的平均濃度濃度分別為59.66mg/L和82.29mg/ L(階段Ⅰ)、81.22mg/L和110.74mg/L(階段Ⅱ)、105.49mg/L和147.11mg/L(階段Ⅲ)、153.17mg/L和199.75mg/L(階段Ⅳ)、180.35mg/L和243.48mg/L(階段Ⅴ)、206.31mg/L和266.36mg/ L(階段Ⅵ).由圖3可知,前面3個階段隨著基質濃度的升高,反應器對基質NH4+-N和NO2--N的平均去除率均保持在93%以上,對TN的平均去除率也保持在86%以上;當進水NH4+-N和NO2--N平均濃度濃度升高至153.17mg/L和199.75mg/L時,反應器對NH4+-N、NO2--N和TN的平均去除率分別為77.44%、82.49%和74.83%.逐步提高基質濃度,至階段Ⅴ時NH4+-N、NO2--N和TN的平均去除率分別為62.10%、63.50%和58.11%,至階段Ⅵ時NH4+-N、NO2--N和TN的平均去除率分別為51.06%、54.84%和49.04%.由此可見,在整個基質濃度提高實驗中(NH4+-N平均濃度由59.66mg/L提高至206.31mg/L,亞氮平均濃度由82.29mg/L提高至266.36mg/L),隨著進水基質濃度的提高,各氮素的去除效率先是基本維持不變(階段Ⅰ~Ⅲ),再呈逐步降低的變化(階段Ⅳ~Ⅵ).此外,從表1中數據可以看出,在階段Ⅰ~Ⅳ,隨著基質濃度的逐漸提高,NH4+-N、NO2--N和TN的去除量逐漸升高;至階段Ⅳ時,NH4+-N、NO2--N和TN的去除量分別為118.63,164.78, 229.61mg/L,說明該基質濃度為系統達到最高去除負荷所需要的進水基質濃度.在階段Ⅳ~Ⅵ,隨著基質濃度的逐漸提高,NH4+-N、NO2--N和TN的去除量有所降低;其可能是基質濃度的升高對厭氧氨氧化菌產生抑制所造成的[18-19].

表1 基質濃度實驗各階段氮素去除特性Table 1 The nitrogen removal characteristics in different stages of the substrate concentration experiment

2.3 水力停留時間對厭氧氨氧化的影響

基質濃度實驗結束后,將進水基質恢復至上述階段Ⅰ水平(NH4+-N和NO2--N的平均進水濃度分別為56.81,83.07mg/L),此時NH4+-N和NO2--N的平均去除量分別為54.31mg/L和79.10mg/L,NO2--N/NH4+-N的平均消耗比率為1.45,NH4+-N、NO2--N和TN的平均去除率分別為95.19%、93.21%和83.49%,可見在基質溶度降低后,基質抑制作用解除,厭氧氨氧化系統脫氮性能迅速恢復.此后進行HRT實驗,實驗通過調節HRT和進水濃度維持進水總氮容積負荷()基本穩定(NLRTN為2.7~3.1g/(L·d)),共分3個階段,第1、2和3階段HRT分別為1.20,1.75,3.70h,各運行15d.各階段進水基質平均濃度如表2所示,在第1階段NH4+-N和NO2--N的平均去除率維持在95%以上,TN的平均去除率在85%以上.水力停留時間提高至1.75h,此時,進水NH4+-N和進水NO2--N平均濃度分別為85.02,113.48mg/L,與基質濃度實驗的階段Ⅱ基本一致,該濃度下沒有基質抑制現象,然而對比兩者各氮素的去除率可以明顯看出,HRT實驗較基質濃度實驗大有降低,說明此時的抑制作用主要為垃圾滲濾液中毒性物質的抑制.當水力停留時間提高至3.70h時,進水NH4+-N和進水NO2--N平均濃度分別為174.32,247.69mg/L,與基質濃度實驗的階段Ⅴ基本一致,同樣HRT實驗中各氮素的去除率較基質濃度實驗顯著降低,此時的抑制作用為基質抑制和垃圾滲濾液中毒性物質的抑制共同作用的結果.

表2 HRT實驗各階段氮素去除特性Table 2 The nitrogen removal characteristics in different stages of HRT experiment

2.4 基質和滲濾液對厭氧氨氧化的抑制及其動力學

厭氧氨氧化菌以無機碳為碳源, NH4+-N和NO2--N為基質,實現自養脫氮. NH4+-N和NO2--N作為厭氧氨氧化菌的底物,在較低濃度時厭氧氨氧化菌以其為基質,然而,在高濃度時則反而會抑制厭氧氨氧化菌的活性.此外,大多數有機物和重金屬等物質都是厭氧氨氧化菌的抑制劑.垃圾滲濾液有高NH4+-N、高有機物和含有大量重金屬等特點,在利用厭氧氨氧化菌對其進行脫氮時,高濃度的基質、有機物和重金屬等毒性物質會抑制厭氧氨氧化菌的活性.通過批試實驗對反應器中厭氧氨氧化污泥進行不同因子的抑制動力學測定并建立相應的動力學模型.

2.4.1 基質抑制及其動力學 基質濃度對厭氧氨氧化活性的影響如表3所示,在實驗濃度范圍內,隨著基質濃度的升高, NH4+-N和NO2--N的去除速率呈現先升高后降低的變化.在NH4+-N濃度為295.62mg/L時,厭氧氨氧化活性最高, NH4+-N的去除速率為0.154);而當NH4+-N濃度升高至930.51mg/L時, NH4+-N的去除速率降低至0.1455mg/(mg·d),為最高時的94.51%.在NO2--N濃度為151.10mg/L時, NO2--N的去除速率為0.1649mg/(mg·d),而當NO2--N濃度升高至497.82mg/L時, NO2--N的去除速率降低至0.1395mg/(mg·d),為最高時的84.59%.有研究認為,基質NH4+-N和NO2--N對厭氧氨氧化的抑制實質上是游離氨和游離亞硝酸的作用[20-21].銨根離子在水溶液中存在以下動態平衡:NH4++OH-NH3+H2O,同樣,亞硝酸鹽在水體中也存在電離平衡:HNO2NO2-+ H+,兩個動態平衡隨pH值的變化而變化.未質子化的游離氨(FA)和游離亞硝酸(FNA)能夠通過脂質細胞膜,而銨根離子(NH4+)和亞硝酸根離子則不易透過[22];并且多數學者認為氨(NH3)是微生物正真的基質[23].

基質抑制動力學可采用Haldane模型[24-25]來進行描述,Haldane模型方程為

式中:為基質去除速率,mg/(mg·d);max為最大轉化速率,mg/(mg·d);為基質濃度, mg/L;s為半飽和常數, mg/L;h為Haldane抑制動力學常數, mg/L.

厭氧氨氧化基質抑制動力學特性如圖5所示,通過Origin8.0對所測銨鹽和亞硝酸鹽的抑制動力學數據分別進行Haldane模型擬合,所得擬合曲線的相關系數2分別為0.9901和0.9985,說明Haldane模型可以較好的描述兩種基質對厭氧氨氧化的抑制動力學行為.當以銨鹽為抑制劑時,最大NH4+-N去除速率(max(NH4+-N))為0.1893mg/(mg·d),對NH4+-N的半飽和常數為39.39mg/L,抑制動力學常數為3482.27mg/L.當以亞硝酸鹽為抑制劑時,最大NO2--N去除速率(max(NO2--N))為0.246mg/(mg·d),對NO2--N的半飽和常數為43.19mg/L,抑制動力學常數為701.15mg/L.同時對比而言,在兩種基質中厭氧氨氧化菌受NO2--N的抑制作用更為顯著.

2.4.2 滲濾液抑制及其動力學 垃圾滲濾液中成分十分復雜,其有機物種類就多達近百種,且大多數有機物對厭氧氨氧化菌具有毒害作用,此外還有大量重金屬和鹽離子等物質,均會抑制厭氧氨氧化菌的活性.垃圾滲濾液濃度以COD計,從表4可以看出,實驗考察了其濃度在0~ 1262.37mg/L之間時的厭氧氨氧化活性,隨著垃圾滲濾液濃度(COD)的升高,NH4+-N去除速率呈逐步降低的趨勢,當COD為1262.37mg/L時, NH4+-N去除速率降低至16.16%.

滲濾液對厭氧氨氧化的抑制實質上是滲濾液中的毒性物質的抑制, 滲濾液對厭氧氨氧化的抑制動力學模型引用乙酸降解時氯酚抑制作用的動力學模型[26],其方程如下:

式中:為基質去除速率,g/(g·d);max為最大基質去除速率,g/(g·d);為基質濃度, mg/L;s為半飽和速率常數, mg/L;0和1為抑制系數.

抑制系數0和1按以下公式計算:

式中:為垃圾滲濾液濃度, mg/L;為垃圾滲濾液完全抑制濃度, mg/L;和為常數.

通過引入速率比對上式進行經修正,得出反映垃圾滲濾液對基質去除速率的抑制方程為[27]

式中:=/0,為速率比;為垃圾滲濾液在各濃度下基質去除速率,g/(g·d);0為未投加垃圾滲濾液條件下基質去除速率,g/(g·d).該式可描述垃圾滲濾液濃度對基質去除速率的抑制作用,其中,值越大說明需要更高濃度的垃圾滲濾液才能完全抑制微生物活性,其毒性越弱.當值相近時,和值越大說明垃圾滲濾液的抑制作用越弱.用修正的抑制方程[式(5)]對實驗結果進行擬合.

厭氧氨氧化垃圾滲濾液抑制動力學特性如圖6所示,通過Origin8.0對實驗數據分別進行模型擬合,所得擬合曲線的相關系數2為0.9714,說明修正的垃圾滲濾液抑制模型可以較好的描述垃圾滲濾液對厭氧氨氧化的抑制動力學行為.通過垃圾滲濾液抑制動力學模型可得在垃圾滲濾液條件下厭氧氨氧化活性被完全抑制的濃度為1450.69mg/L (以COD計),動力學常數和分別為2.49和0.99.

3 結論

3.1 采用晚垃圾滲濾液對厭氧氨氧化菌進行馴化,在進水NH4+-N和NO2--N濃度分別為50~ 60mg/L和70~80mg/L時,經過75d的運行,系統逐漸適應垃圾滲濾液實現高效脫氮.隨著進水基質濃度的提高,基質的去除量呈先升高后降低的變化趨勢,而去除效率則先是基本維持不變再呈緩慢降低的變化.隨著HRT的升高,各氮素的平均去除率逐漸降低.

3.2 厭氧氨氧化基質抑制的閾值是NH4+-N濃度為489.03mg/L和NO2--N濃度為192.36mg/L.其對NH4+-N和NO2--N的半飽和常數分別為為39.39mg/L和43.19mg/L,抑制動力學常數分別為3482.27mg/L和701.15mg/L.厭氧氨氧化受垃圾滲濾液影響尤為顯著,在垃圾滲濾液條件下厭氧氨氧化活性被完全抑制的濃度為1450.69mg/L (以COD計).

3.3 在應用厭氧氨氧化工藝處理高濃度晚期垃圾滲濾液過程中,應同時關注基質和滲濾液對厭氧氨氧化的抑制作用,并據此設置進水濃度.

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* 責任作者, 教授, jglijun@bjut.edu.cn

Nitrogen removal and inhibition kinetics of ANAMMOX reactor fed with the mature landfill leachate

LI Yun1, LI Jun1*, CAI Hui2, CHEN Gang2, HOU Ai-yue1, HU Xiao2, BIAN Wei1, GUO Rui-feng2, LIU Yi-fu2

(1.The College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 1000124, China；2.China Urban Construction Design and Research Institute Co., Ltd., Beijing 100012, China)., 2016,36(5)：1409~1416

The mature landfill leachate was adopted to cultivated anaerobic ammonia oxidation bacteria in the UASB reactor which fed with inorganic wastewater, the running performance of the system was explored in different substrate concentration and hydraulic retention time, the activity inhibition of anaerobic ammonia oxidation by substrate and landfill leachate and the inhibition kinetics were analyzed. The system adapted to the landfill leachate gradually and implement efficient denitrification when the system run 75d. The removal amount of substrate was increased at first and then decreased with the increasement of the substrate concentration. As the extension of HRT, the concentrations of substrate and landfill leachate was increased, the effect of denitrification was decline in system. The thresholds of substrate inhibition were that NH4+-N concentration was 489.03mg/L and NO2--N concentration of 192.36mg/L. when NH4+-N was inhibitor,max(NH4+-N)was 0.1893mg/(mg·d), the half-saturation constant was 39.39mg/L, the inhibiting kinetic constant was 3482.27mg/L; when NO2--N was inhibitor,max(NO2--N)was 0.246mg/(mg·d), the half-saturation constant was 43.19mg/L, the inhibiting kinetic constant was 701.15mg/L. Anaerobic ammonia oxidation is very susceptible especially by the landfill leachate, the activity of anammox was inhibited completely when the landfill leachate concentration was 1450.69mg/L (which calculated in COD).

mature landfill leachate；nitrogen removal；inhibition kinetics

X703.5

A

1000-6923(2016)05-1409-08

李 蕓(1985-),男,江西宜春人,北京工業大學博士研究生,主要研究方向為污水處理理論與技術.發表論文5篇.

2015-10-21

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07201- 011);中國城市建設研究院院級課題(Y07H13074);建筑室外水系維護與節水關鍵技術研究(2013BAJ02B02);北京市教委委員會資助(PXM2015-014204-500271)