生物脱氮基本原理及影响因素

摘要：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。

关键词：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CO₃^2－、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（θ_c）_N必须大于自养型硝化菌最小的世代时间（θ_c）^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（θ_c）_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。