摘要: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 氨化 硝化 反硝化 同化
生物脱氮是在微生物的作用下,将有机氮和NH3-N转化为N2和NxO气体的过程[1]。
中存在着有机氮、NH3-N、NOx--N等形式的氮,而其中以NH3-N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NH3-N,而后经硝化过程转化变为NOx--N,最后通过反硝化作用使NOx--N转化成N2,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
氨化作用是指将有机氮化合物转化为NH3-N的过程,也称为矿化作用。参与氨化作用的细菌称为氨化细菌。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、兼性的变形杆菌和的腐败梭菌等。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[2]。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,它们是好氧菌,其反应式如下:
(2-2)
在或缺氧的条件下,微生物和兼性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
硝化作用是指将NH3-N氧化为NOx--N的生物化学反应,这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成,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)
亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝酸杆菌属、硝酸球菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌[22]。发生硝化反应时细菌分别从氧化NH3-N和NO2--N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)
由上式可以看出硝化过程的三个重要特征:
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,难以维持较高物质浓度,特别是在低温的冬季;
⑶硝化过程中产生大量的质子(H+),为了使反应能顺利进行,需要大量的碱中和,理论上大约为每氧化1g的NH3-N需要碱度5.57g(以NaCO3计)。