微生物脱氮原理

简介：介绍了生物脱氮基本原理及影响因素，为环境工作者掌握生物脱氮。废水中存在着有机氮、氨氮、硝态氮等形式的氮，而其中以氨氮和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成氨氮，而后经硝化过程转化变为NO3-N和NO2-N，最后通过反硝化作用使硝态氮转化成氮气，而逸入大气。由此可见，进行生物脱氮可分为氨化－硝化－反硝化三个步骤。由于氨化反应速度很快。在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。

关键字：生物脱氮基本原理影响因素

废水中存在着有机氮、氨氮、硝态氮等形式的氮，而其中以氨氮和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成氨氮，而后经硝化过程转化变为NO3-N和NO2-N，最后通过反硝化作用使硝态氮转化成氮气，而逸入大气。

由此可见，进行生物脱氮可分为氨化－硝化－反硝化三个步骤。由于氨化反应速度很快。在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。

1 氨化作用

1.1 概念

氨化作用是指将有机氮化合物转化为氨态氮的过程，也称为矿化作用。

1.2 细菌

参与氨化作用的细菌成为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌，兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。

1.3 降解方式（分好氧和厌氧）

在好氧条件下，主要有两种降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脱氨。例如氨基酸生成酮酸和氨：

[2-1]

丙氨酸亚氨基丙酸法丙酮酸

另一是某些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解脱氮反应。例如尿素能被许多细菌水解产生氨，分解尿素的细菌有尿八联球菌和尿素芽孢杆菌等，它们式好氧菌，其反应式如下：

[2-2]

在厌氧条件或缺氧的条件下，厌氧微生物和兼性厌氧微生物对有机氮化合物进行还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应。

[2-3]

[2-4]

[2-5]

2 硝化作用

2.1 概念

硝化作用是指将氨氮氧化为亚硝酸氮和硝态氮的生物化学反应，

2.2 细菌

这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成。

亚硝化菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝化杆菌属、硝化球菌属。亚硝酸菌和硝化菌统称为硝化菌。

2.3 反应过程

包括亚硝化反应和硝化反应两个步骤。该反应历程为：

亚硝化反应 [2-6]

硝化反应 [2-7]

总反应式 [2-8]

发生硝化反应时细菌分别从氧化NH3和NO2-的过程中获得能量，碳源来自无机碳化合物，如CO32－、HCO－、CO2等。假定细胞的组成为C5H7NO2，则硝化菌合成的化学计量关系可表示为：

亚硝化反应 [2-9]

硝化反应 [2-10]

在综合考虑了氧化合成后，实际应用中的硝化反应总方程式为：

[2-11]

2.4 特点

从上式可以看出硝化过程的三个重要特点：

⑴NH3的生物氧化需要大量的氧，大约每去除1g的NH3-N需要4.2gO2；

⑵硝化过程细胞产率非常低，且难以维持较高胜物浓度，特别是在低温的冬季；

⑶硝化过程中产生大量的的质子（H—），为了使反应能顺利进行，需要大量的碱中和，其理论上大约为每氧化1g的NH3-N需要碱度5.57g(以NaCO3计)。

2.5 硝化反应影响因素

①温度

在生物硝化系统中，硝化细菌对温度的变化非常敏感，在5～35℃的范围内，硝化菌能进行正常的生理代谢活动。当废水温度低于15℃时，硝化速率会明显下降，当温度低于10℃时已启动的硝化系统可以勉强维持，硝化速率只有30℃时的硝化硝化速率的25%[1]。尽管温度的升高，生物活性增大，硝化速率也升高，但温度过高将使硝化菌大量死亡，实际运行中要求硝化反应温度低于３８℃[2]。

②pH值

硝化菌对pH值变化非常敏感，最佳pH值是8.0～8.4，在这一最佳pH值条件下，硝化速度，硝化菌最大的比值速度可达最大值。Anthonison认为pH对硝化反应的影响只是表观现象，实际起作用是两个平衡H++NH3= NH4+和H++NO2-= HNO2中的NH3（FA）和HNO2（FNA），pH通过这两个平衡影响FA和FNA的浓度起作用的。FA与FNA浓度可由下式计算：

其中

A—总氮（NH3+NH4+）浓度；K b—氨的离解常数；

K w—水的电离常数；K a—亚硝酸的离解

③溶解氧

氧是硝化反应过程中的电子受体，反应器内溶解氧高低，必将影响硝化反应得进程。在活性污泥法系统中，大多数学者认为溶解氧应该控制在1.5～2.0mg/L内，低于0.5mg/L则硝化作用趋于停止。当前，有许多学者认为在低DO（1.5mg/L）下可出现SND现象。在DO＞2.0mg/L，溶解氧浓度对硝化过程影响可不予考虑。但DO浓度不宜太高，因为溶解氧过高能够导致有机物分解过快，从而使微生物缺乏营养，活性污泥易于老化，结构松散。此外溶解氧过高，过量能耗，在经济上也是不适宜的。

④生物固体平均停留时间（污泥龄）

为了使硝化菌群能够在连续流反应器系统存活，微生物在反应器内的停留时间（θc）N必须大于自养型硝化菌最小的世代时间（θc）min N，否则硝化菌的流失率将大于净增率，将使硝化菌从系统中流失殆尽。一般对（θc）N的取值，至少应为硝化菌最小世代时间的2倍以上，即安全系数应大于2。

⑤重金属及有毒物质

除了重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有：高浓度氨氮、高浓度硝酸盐有机物及络合阳离子等。

3.反硝化作用

3.1 概念

反硝化作用是指在厌氧或缺氧（DO<0.3-0.5mg/L）条件下，硝态氮、亚硝态氮及其其它氮氧化物被用作电子受体而还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应。

3.2 细菌

这个过程反硝化菌完成。

进行这类反应的细菌主要有变形杆菌属、微球菌属、假单胞菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属等兼性细菌，它们在自然界中广泛存在。有分子氧存在时，利用O2作为最终电子受体，氧化有机物，进行呼吸；无分子氧存在时，利用NO3―或者NO2―进行呼吸。研究表明，这种利用分子氧和NO3―之间的转换很易进行，即使频繁交换也不抑制其反硝化的进行。

大多数反硝化菌能进行反硝化的同时将NO3―同化为NH4+而供给细胞合成之用，这也就是所谓同化反硝化。只有当NO3―作为反硝化菌唯一可利用的氨源时NO3―同化代谢才能发生。如果废水中同时存在NH4+，反硝化菌有限利用氨态氮进行合成。

3.3 反硝化过程

该反应历程为：

[2-12]

[2-13]

[2-14]

[H]可以是任何能提供电子，且能还原NO3―及NO2―为的物质，包括有机物、硫化物、H+等。

3.4 反硝化反应影响因素

1. 温度

反硝化细菌对温度变化虽不如硝化细菌那样敏感，但反硝化效果也会随温度变化而变化。温度越高，硝化速率也越高，在30～35℃时，DNR增至最大。当低于15℃时，反硝化速率将明显降低；至5℃时，反硝化将趋于停止。

2．pH值

pH值是反硝化反应的重要影响因素，对反硝化最适宜的pH值是6.5～7.5，在这个pH值的条件下，反硝化速率最高，当pH值高于8或者低于6时，反硝化速率将大为下降。

3.外加碳源

反硝化菌是属于异养型兼性厌氧菌，在厌氧的条件下以NO x-N为电子受体，以有机物（有机碳）为电子供体。由此可见，碳源是反硝化过程中不可少的一种物质，进水的C/N直接影响生物脱氮除氮效果的重要因素。一般BOD/TKN＝3～4，有机物越充分，反应速度越快，当废水中BOD/TKN小于3时，需要外加碳源才能达到理想的脱氮目的。因此碳源对反硝化效果影响很大。反硝化的碳源来源主要分三类：一是废水本身的组成物，如各种有机酸、淀粉、碳水化合物等；二是废水处理过程中添加碳源，一般可以添加附近一些工业副产物，如乙酸、丙酸和甲醇等；三是活性污泥自身死亡自溶释放的碳源，称为内源碳。

4.溶解氧

反硝化是异养兼性厌氧菌，只有在无分子氧而同时存在硝酸和亚硝酸离子的条件下，它们才能利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。如反应器内溶解氧较高，将使反硝化菌利用氧进行呼吸，抑制反

硝化菌体内硝酸盐还原酶的合成，或者氧成为电子受体，阻碍硝酸盐的还原。但是，另一方面，在反硝化菌体内某些酶系组分只有在有氧条件下，才能合成，这样，反硝化菌以在厌氧、好氧交替环境中生活为宜，溶解氧应控制在0.5mg/L。