生物脱氮基本原理

简介： 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。
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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N_xO气体的过程^[1]。

　　废水中存在着有机氮、NH₃-N、NO_x^－-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NO_x^－-N，最后通过反硝化作用使NO_x^－-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

　　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、兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。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)

　　在厌氧或缺氧的条件下，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

　　硝化作用是指将NH₃-N氧化为NO_x^－-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)

　　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)。

　　3. 反硝化作用

　　反硝化作用是指在厌氧或缺氧（DO<0.3-0.5mg/L）条件下，NO_x^―-N及其它氮氧化物被用作电子受体被还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应，这个过程由反硝化菌完成^[3--4]。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NO_x^―-N为氮气的物质，包括有机物、硫化物、H⁺等。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NO_x^―-N进行呼吸。研究表明，这种利用分子氧和NO_x^―-N之间的转换很容易进行，即使频繁交换也不会抑制反硝化的进行。

　　大多数反硝化菌能进行反硝化的同时将NOx―-N同化为NH3-N而供给细胞合成之用，这也就是所谓同化反硝化。只有当NOx―-N作为反硝化菌唯一可利用的氨源时NOx―-N同化代谢才可能发生。如果废水中同时存在NH3-N，反硝化菌有限地利用NH3-N进行合成。

　　4.同化作用

　　在生物脱氮过程中，废水中的一部分氮（NH3-N或有机氮）被同化为异养生物细胞的组成部分。微生物细胞采用C60H87O23N12P来表示，按细胞的干重量计算，微生物细胞中氮含量约为12.5%。虽然微生物的内源呼吸和溶胞作用会使一部分细胞的氮又以有机氮和NH3-N形式回到废水中，但仍存在于微生物的细胞及内源呼吸残留物中的氮可以在二沉池中得以从废水中去除。

　　参考文献

　　[1] 缪应祺，水污染控制工程（M），南京-东南大学出版社，2002.12；

　　[2] 赵永芳，生物化学技术原理及应用[M], 北京-科学出版，2002；

　　[3]  Du Guocheng,Geng JinJu,Chen Jian, Mixed culture of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria for simultaneous nitrification and denitrification[J],2003.6,19(4):433-437；

　　[4]  Knowle R，Denitrification[J],Microbiol Rev,1982,46:43-70；