传统生物脱氮原理及机理应用简介

传统生物脱氮过程通常包括氨化作用、硝化作用和反硝化作用。

（一）氨化作用

氨化作用（Ammonification）即污水中的有机氮素化合物在氨化细菌的脱氨基作用下产生氨氮的过程，主要的脱氨基方式包括氧化脱氨基、还原脱氨基、水解脱氨基和碱饱和脱氨基[27]。氨化作用在好氧条件和厌氧条件下均能发生，在生物处理设备中反应速度极快。产生的氨氮在酸性或中性环境中主要以NH4+-N的形式存在，而在碱性条件下产生的部分NH3-N将以气态形式逸出而无法被微生物利用。

（二）硝化作用

将污水中的NH4+-N氧化为NO2--N、NO3--N的生物化学反应称为硝化作用（Nitrification），它需要多种酶参与反应并产生多种中间产物，同时伴随有复杂的能量（电子）传递过程[28]，其生化反应过程如图1-1所示。

图1-1　硝化作用的反应途径

由图1-1可知，这个反应过程包括了亚硝化反应和硝化反应两个阶段。

亚硝化反应是指NH4+-N在氨氧化细菌（Ammonia-oxidizing bacteria，AOB）的作用下被氧化为NO2--N的过程，其生化反应方程式[29]为：

氨羟化为羟胺：

羟胺氧化为亚硝酸：

由上述反应方程式可知，在亚硝化反应过程中，AOB首先利用氨单加氧酶（AMO）将氨转化成NH2OH，NH2OH在羟胺氧化酶（HAO）的催化作用下进一步被氧化成NO2--N。亚硝化反应中，氨的羟化过程较难进行，但氨一旦被转化成NH2OH后就很容易被进一步转化成NO2--N。AOB主要包括5个菌属[30，31]，分别是亚硝酸单胞菌属（Nitrosomonas）、亚硝酸螺菌属（Nitrosospira）、亚硝酸球菌属（Nitrosococcus）、亚硝酸叶菌属（Nitrosolobus）和亚硝酸弧菌属（Nitrosovibrio）。AOB均为化能无机营养型专性好氧菌，在氧化NH4+-N为NO2--N的过程中获得能量，用于细胞合成和CO2固定。

硝化反应是指NO2--N在亚硝酸盐氧化细菌（Nitrite-oxidizing bacteria，NOB）的作用下被氧化为NO3--N的过程，其生化反应方程式为：(www.xing528.com)

亚硝酸氧化为硝酸：

目前已有的研究表明，从NO2--N到NO3--N的氧化过程通常是一步完成的，尚未发现其他中间产物，催化该反应的酶为亚硝酸氧化酶（NOR）。NOB主要包括四个菌属[32]，分别是硝化杆菌属（Nitrobacter）、硝化螺菌属（Nitrospira）、硝化球菌属（Nitrococcus）和硝化刺菌属（Nitrospina）。其中，Nitrobacter的营养类型既可以是化能无机型也可以是化能有机型，而Nitrospira、Nitrococcus和Nitrospina均为化能无机营养型。

（三）反硝化作用

反硝化作用（Denitrification）是指NO2--N、NO3--N在厌氧或缺氧条件下被反硝化细菌（Denitrifying bacteria，DNB）还原为N2或其他气态氮氧化物的生化反应。其反应途径如图1-2所示[33-35]。

图1-2　反硝化作用的反应途径

由图1-2可知，反硝化过程包括了四个步骤，其生化反应方程式分别如式（1-6）至式（1-9）所示。其中NO3-还原为NO2-的过程主要发生在细胞膜内，而NO2-还原为NO、NO还原为N2O、N2O还原为N2的过程均发生在细胞膜外周质中。

反硝化作用的功能菌为反硝化菌，较为常见的是假单胞菌属（Pseudomonas）、产碱杆菌属（Alcaligenes）、色杆菌属（Chromobacterium）。其中，Pseudomonas的营养类型既可以是化能有机营养型也可以是化能无机营养型，而Alcaligenes、Chromobacterium以化能有机营养型为主。Pseudomonas中具有反硝化功能的主要是施氏假单胞菌（Ps.stutzeri）、荧光假单胞菌（Ps.fluorescens）、脱氮假单胞菌（Ps.denitrificans）、铜绿色假单胞菌（Ps.aeruginosa）、绿针假单胞菌（Ps.chloroaphis）、门多萨假单胞菌（Ps.mendocina）[36]。

在氧含量很低或不含氧的环境下，反硝化菌利用NO2-和NO3-中的氧进行呼吸，最终生成含有NO、N2O、N2等气态物质的混合物，各种气态氮所占的比例与反硝化菌的种类和反应条件（酸碱度、温度、溶解氧、碳氮比、污泥龄等）密切相关。反硝化菌多数属于异养型兼性厌氧细菌，能利用碳水化合物（如葡萄糖）、有机酸（如乙酸）、醇类（如甲醇）等有机质作为反硝化反应的电子供体[37]，反应方程式如下：

当污水中存在足够的有机物作为电子供体时，可大幅减少氧的消耗；而当污水中可用于反硝化的有机碳源不足时，则需要额外投加有机物来进行补充[38，39]。