水污染治理生物脱氮原理及影响因素研究

4.1.1.1 传统生物脱氮原理

（1）氨化反应

在未经处理的生活污水中，含氮化合物存在的主要形式有：有机氮，如蛋白质、氨基酸、尿素、胺类化合物等；氨态氮有NH3或。一般以有机氮为主。

含氮化合物在好氧或厌氧微生物的作用下，均可转化为氨态氮，其反应式如下。

（2）硝化反应

硝化反应是由自养型好氧微生物完成的，它包括两个步骤：第一步是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝态氮；第二步则由硝酸菌将亚硝态氮进一步氧化为硝态氮这两类菌统称为硝化菌，它们利用无机碳化物如作碳源，从的氧化反应中获取能量，两步反应均需在有氧的条件下进行。亚硝化和硝化反应式（硝化+合成）为

硝化总反应式（硝化+生物合成）为

硝化过程的重要特征如下。

①硝化菌（硝酸菌和亚硝酸菌）分别从氧化和的过程中获得能量，碳源来自和CO2等。

②硝化反应在好氧状态下进行，DO≥2mg/L，1g NH3-N（以N计）完全硝化需4.57g O2，其中第一步反应耗氧3.43g，第二步反应耗氧1.14g。

③产生大量的质子（H+），需要大量的碱中和，1g NH3-N（以N计）完全硝化需要碱度7.14g（以CaCO3计）。

④细胞产率非常低，特别是在低温的冬季。

（3）反硝化反应

反硝化反应是由异养型反硝化菌完成的，它的主要作用是将硝态氮或亚硝态氮还原成氮气，反应在无分子氧的条件下进行。反硝化菌大多是兼性的，在溶解氧浓度极低的环境中，它们利用硝酸盐中的氧作电子受体，有机物则作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定。当利用的碳源为甲醇时，反硝化反应式（反硝化+生物合成）为

当环境中缺乏有机物时，无机物如氢、Na2S等也可作为反硝化反应的电子供体。微生物还可通过消耗自身的原生质进行所谓的内源反硝化，内源反硝化的结果是细胞物质减少，并会有NH3生成，因此，处理中不希望此种反应占主导地位，而应提供必要的碳源。

反硝化过程的重要特征如下。

①在缺氧或低氧状态进行反硝化（以或为电子受体），若DO较高状态则会进行有机物氧化（以O2为电子受体），而且这种转换频繁进行不影响反硝化菌活性。(www.xing528.com)

②反硝化过程消耗有机物，（以N计）转化为N2需提供有机物（以BOD5计）2.86g。

③反硝化过程产生碱度，（以N计）转化为N2产生碱度（以CaCO3计）3.57g。

上述硝化、反硝化生物脱氮过程示意图如图4-1所示。

图4-1　传统生物脱氮过程示意图

4.1.1.2 硝化反硝化的影响因素

硝化—反硝化过程的影响因素见表4-1。

表4-1　硝化—反硝化过程的影响因素

4.1.1.3 生物脱氮新理念

（1）短程硝化—反硝化

由传统硝化—反硝化原理可知，硝化过程是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应，应该可以分开。而对于反硝化菌或均可以作为最终受氢体。即将硝化过程控制在亚硝化阶段而终止，随后进行反硝化，在反硝化过程将作为最终受氢体，故称为短程（或简捷）硝化—反硝化。其反应式为

（2）同步硝化—反硝化

①厌氧氨氧化。其基本原理是在厌氧条件下，以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体，将氨氮氧化成氮气，或者利用氨作为电子供体，将亚硝酸盐或硝酸盐还原成氮气。参与厌氧氨氧化的细菌是一种自养菌，在厌氧氨氧化过程中无须提供有机碳源。厌氧氨氧化反应式及反应自由能为

根据热力学理论，上述反应的ΔG＜0，说明反应可自发进行，从理论上讲，可以提供能量供微生物生长。

②亚硝酸型。完全自养脱氮（Completely Autotrophic Nitrogenremoval Over Nitrite）简称CANON工艺。其基本原理是先将氨氮部分氧化成亚硝酸氮，控制与的比例为1∶1，然后通过厌氧氨氧化作为反硝化实现脱氮的目的。其反应式表述为

全过程为自养的好氧亚硝化反应结合自养的厌氧氨氧化反应，无须有机碳源，对氧的消耗比传统硝化/反硝化减少62.5%，同时减少碱消耗量和污泥生成量。