生物脫氮基本原理

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簡介： 進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。
關(guān)鍵字：生物脫氮基本原理 氨化 硝化 反硝化 同化

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N_xO氣體的過程^[1]。

　　廢水中存在著有機氮、NH₃-N、NO_x^－-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)镹O_x^－-N，最后通過反硝化作用使NO_x^－-N轉(zhuǎn)化成N₂，而逸入大氣。

　　由此可見，進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。

　　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。參與氨化作用的細菌稱為氨化細菌。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敗梭菌等。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：

　　 (2-1)

　　丙氨酸               亞氨基丙酸法          丙酮酸

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

　　        (2-2)

　　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)。

　　             (2-3)

　　       (2-4)

　　       (2-5)

　　2. 硝化作用

　　硝化作用是指將NH₃-N氧化為NO_x^－-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：

　　亞硝化反應(yīng)           (2-6)

　　硝化反應(yīng)                       (2-7)

　　總反應(yīng)式           (2-8)

　　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CO₃^2－、HCO^－、CO₂等。假定細胞的組成為C₅H₇NO₂，則硝化菌合成的化學(xué)計量關(guān)系可表示為：

　　亞硝化反應(yīng)     (2-9)

　　硝化反應(yīng)               (2-10)

　　在綜合考慮了氧化合成后，實際應(yīng)用中的硝化反應(yīng)總方程式為：

　　    (2-11)

　　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；

　?、葡趸^程細胞產(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；

　?、窍趸^程中產(chǎn)生大量的質(zhì)子（H⁺），為了使反應(yīng)能順利進行，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)。

　　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，NO_x^―-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^[3--4]。反應(yīng)歷程為：

　　                     (2-12)

　　         (2-13)

　　          (2-14)

　　[H]可以是任何能提供電子，且能還原NO_x^―-N為氮氣的物質(zhì)，包括有機物、硫化物、H⁺等。進行這類反應(yīng)的細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，進行呼吸；無分子氧存在時，利用NO_x^―-N進行呼吸。研究表明，這種利用分子氧和NO_x^―-N之間的轉(zhuǎn)換很容易進行，即使頻繁交換也不會抑制反硝化的進行。

　　大多數(shù)反硝化菌能進行反硝化的同時將NOx―-N同化為NH3-N而供給細胞合成之用，這也就是所謂同化反硝化。只有當(dāng)NOx―-N作為反硝化菌唯一可利用的氨源時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)生物細胞的組成部分。微生物細胞采用C60H87O23N12P來表示，按細胞的干重量計算，微生物細胞中氮含量約為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。

　　參考文獻

　　[1] 繆應(yīng)祺，水污染控制工程（M），南京-東南大學(xué)出版社，2002.12；

　　[2] 趙永芳，生物化學(xué)技術(shù)原理及應(yīng)用[M], 北京-科學(xué)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；