廢水處理中生物脫氮基本反應(yīng)原理分析

進(jìn)行生物脫氮可分為氨化－硝化－反硝化三個步驟。由于氨化反應(yīng)速度很快，在一般廢水處理設(shè)施中均能完成，故生物脫氮的關(guān)鍵在于硝化和反硝化。生物脫氮是在微生物的作用下，將有機氮和NH3-N轉(zhuǎn)化為N2和NxO氣體的過程。

廢水中存在著有機氮、NH3-N、NOx－-N等形式的氮，而其中以NH3-N和有機氮為主要形式。在生物處理過程中，有機氮被異養(yǎng)微生物氧化分解，即通過氨化作用轉(zhuǎn)化為成NH3-N，而后經(jīng)硝化過程轉(zhuǎn)化變?yōu)?span>NOx－-N，最后通過反硝化作用使NOx－-N轉(zhuǎn)化成N2，而逸入大氣。

1.氨化作用

氨化作用是指將有機氮化合物轉(zhuǎn)化為NH3-N的過程，也稱為礦化作用。參與氨化作用的細(xì)菌稱為氨化細(xì)菌。在自然界中，它們的種類很多，主要有好氧性的熒光假單胞菌和靈桿菌、兼性的變形桿菌和厭氧的腐梭菌等。在好氧條件下，主要有兩種降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脫氨[2]。例如氨基酸生成酮酸和氨：

另一是某些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解脫氮反應(yīng)。例如尿素能被許多細(xì)菌水解產(chǎn)生氨，分解尿素的細(xì)菌有尿八聯(lián)球菌和尿素芽孢桿菌等，它們是好氧菌，其反應(yīng)式如下：

在厭氧或缺氧的條件下，厭氧微生物和兼性厭氧微生物對有機氮化合物進(jìn)行還原脫氨、水解脫氨和脫水脫氨三種途徑的氨化反應(yīng)。

2.硝化作用

硝化作用是指將NH3-N氧化為NOx－-N的生物化學(xué)反應(yīng)，這個過程由亞硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)兩個步驟。該反應(yīng)歷程為：

亞硝酸菌有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺桿菌屬和亞硝酸球菌屬。硝酸菌有硝酸桿菌屬、硝酸球菌屬。亞硝酸菌和硝酸菌統(tǒng)稱為硝化菌[22]。發(fā)生硝化反應(yīng)時細(xì)菌分別從氧化NH3-N和NO2－-N的過程中獲得能量，碳源來自無機碳化合物，如CO32－、HCO－、CO2等。假定細(xì)胞的組成為C5H7NO2，則硝化菌合成的化學(xué)計量關(guān)系可表示為：

由上式可以看出硝化過程的三個重要特征：

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

⑵硝化過程細(xì)胞產(chǎn)率非常低，難以維持較高物質(zhì)濃度，特別是在低溫的冬季；

⑶硝化過程中產(chǎn)生大量的質(zhì)子（H+），為了使反應(yīng)能順利進(jìn)行，需要大量的堿中和，理論上大約為每氧化1g的NH3-N需要堿度5.57g(以NaCO3計)。

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3.反硝化作用

反硝化作用是指在厭氧或缺氧（DO<0.3-0.5mg/L）條件下，NOx―-N及其它氮氧化物被用作電子受體被還原為氮氣或氮的其它氣態(tài)氧化物的生物學(xué)反應(yīng)，這個過程由反硝化菌完成。反應(yīng)歷程為：

可以是任何能提供電子，且能還原NOx―-N為氮氣的物質(zhì)，包括有機物、硫化物、H+等。進(jìn)行這類反應(yīng)的細(xì)菌主要有變形桿菌屬、微球菌屬、假單胞菌屬、芽胞桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、黃桿菌屬等兼性細(xì)菌，它們在自然界中廣泛存在。有分子氧存在時，利用O2作為最終電子受體，氧化有機物，進(jìn)行呼吸；無分子氧存在時，利用NOx―-N進(jìn)行呼吸。研究表明，這種利用分子氧和NOx―-N之間的轉(zhuǎn)換很容易進(jìn)行，即使頻繁交換也不會抑制反硝化的進(jìn)行。

大多數(shù)反硝化菌能進(jìn)行反硝化的同時將NOx―-N同化為NH3-N而供給細(xì)胞合成之用，這也就是所謂同化反硝化。只有當(dāng)NOx―-N作為反硝化菌可利用的氨源時NOx―-N同化代謝才可能發(fā)生。如果廢水中同時存在NH3-N，反硝化菌有限地利用NH3-N進(jìn)行合成。

4.同化作用

在生物脫氮過程中，廢水中的一部分氮（NH3-N或有機氮）被同化為異養(yǎng)生物細(xì)胞的組成部分。微生物細(xì)胞采用C60H87O23N12P來表示，按細(xì)胞的干重量計算，微生物細(xì)胞中氮含量約為12.5%。雖然微生物的內(nèi)源呼吸和溶胞作用會使一部分細(xì)胞的氮又以有機氮和NH3-N形式回到廢水中，但仍存在于微生物的細(xì)胞及內(nèi)源呼吸殘留物中的氮可以在二沉池中得以從廢水中去除。