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。由于氨化反應速度很快，在一般廢水處理設施中均能完成，故生物脫氮的關鍵在于硝化和反硝化。
關鍵字：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，即通過氨化作用轉化為成NH₃-N，而后經(jīng)硝化過程轉化變?yōu)镹O_x^－-N，最后通過反硝化作用使NO_x^－-N轉化成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。由于氨化反應速度很快，在一般廢水處理設施中均能完成，故生物脫氮的關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。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。

　　             (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的生物化學反應，這個過程由亞硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亞硝化反應和硝化反應兩個步驟。該反應歷程為：

　　亞硝化反應           (2-6)

　　硝化反應                       (2-7)

　　總反應式           (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計量關系可表示為：

　　亞硝化反應     (2-9)

　　硝化反應               (2-10)

　　在綜合考慮了氧化合成后，實際應用中的硝化反應總方程式為：

　　    (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，難以維持較高物質濃度，特別是在低溫的冬季；

　　⑶硝化過程中產(chǎn)生大量的質子（H⁺），為了使反應能順利進行，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)氧化物的生物學反應，這個過程由反硝化菌完成^[3--4]。反應歷程為：

　　                     (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，包括有機物、硫化物、H⁺等。進行這類反應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] 繆應祺，水污染控制工程（M），南京-東南大學出版社，2002.12；

　　[2] 趙永芳，生物化學技術原理及應用[M], 北京-科學出版，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；