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生物脫氮基本原理

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簡介: 進(jìn)行生物脫氮可分為氨化-硝化-反硝化三個(gè)步驟。由于氨化反應(yīng)速度很快,在一般處理設(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(jī)氮和NH3-N轉(zhuǎn)化為N2和NxO氣體的過程[1]。

  中存在著有機(jī)氮、NH3-N、NOx-N等形式的氮,而其中以NH3-N和有機(jī)氮為主要形式。在生物處理過程中,有機(jī)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Ox-N,最后通過反硝化作用使NOx-N轉(zhuǎn)化成N2,而逸入大氣。

  由此可見,進(jìn)行生物脫氮可分為氨化-硝化-反硝化三個(gè)步驟。由于氨化反應(yīng)速度很快,在一般處理設(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(jī)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(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:

          (2-2)

  在或缺氧的條件下,微生物和兼性微生物對有機(jī)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)。

               (2-3)

         (2-4)

         (2-5)

  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(gè)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(gè)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(shí)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(jī)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(jì)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(shí)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(gè)重要特征:

 ?、臢H3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(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;

 ?、窍趸^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(jì))。

  3. 反硝化作用

  反硝化作用是指在或缺氧(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?dú)饣虻钠渌鼩鈶B(tài)氧化物的生物學(xué)反應(yīng),這個(gè)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NOx-N為氮?dú)獾奈镔|(zhì),包括有機(jī)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(shí),利用O2作為最終電子受體,氧化有機(jī)物,進(jìn)行呼吸;無分子氧存在時(shí),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(shí)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作為反硝化菌唯一可利用的氨源時(shí)NOx―-N同化代謝才可能發(fā)生。如果中同時(shí)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,中的一部分氮(NH3-N或有機(jī)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(jì)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(jī)氮和NH3-N形式回到中,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中去除。

  參考文獻(xiàn)

  [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;

發(fā)布:2007-07-29 12:45    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁]    [關(guān)閉]
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