生物脫氮基本原理及影響因素
廢水中存在著有機氮、氨氮、硝態(tài)氮等形式的氮，而其中以氨氮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)化為成氨氮，而后經(jīng)硝化過程轉(zhuǎn)化變?yōu)镹O3-N和NO2-N，最后通過反硝化作用使硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氮氣，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
1.1 概念
氨化作用是指將有機氮化合物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的過程，也稱為礦化作用。
1.2 細菌
參與氨化作用的細菌成為氨化細菌。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。
1.3 降解方式（分好氧和厭氧）
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。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。
在厭氧條件或缺氧的條件下，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 硝化作用
2.1 概念
硝化作用是指將氨氮氧化為亞硝酸氮和硝態(tài)氮的生物化學反應，
2.2 細菌
這個過程由亞硝酸菌和硝酸菌共同完成。亞硝化菌有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺桿菌屬和亞硝酸球菌屬。硝酸菌有硝化桿菌屬、硝化球菌屬。亞硝酸菌和硝化菌統(tǒng)稱為硝化菌。
2.3 反應過程
包括亞硝化反應和硝化反應兩個步驟。發(fā)生硝化反應時細菌分別從氧化NH3和NO2-的過程中獲得能量，碳源來自無機碳化合物，如CO32－、HCO－、CO2等。
2.4 特點
硝化過程的三個重要特點：
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；
⑵硝化過程細胞產(chǎn)率非常低，且難以維持較高勝物濃度，特別是在低溫的冬季；
⑶硝化過程中產(chǎn)生大量的的質(zhì)子（H—），為了使反應能順利進行，需要大量的堿中和，其理論上大約為每氧化1g的NH3-N需要堿度5.57g(以NaCO3計)。
2.5 硝化反應影響因素
①溫度
在生物硝化系統(tǒng)中，硝化細菌對溫度的變化非常敏感，在5～35℃的范圍內(nèi)，硝化菌能進行正常的生理代謝活動。當廢水溫度低于15℃時，硝化速率會明顯下降，當溫度低于10℃時已啟動的硝化系統(tǒng)可以勉強維持，硝化速率只有30℃時的硝化硝化速率的25%[1]。盡管溫度的升高，生物活性增大，硝化速率也升高，但溫度過高將使硝化菌大量死亡，實際運行中要求硝化反應溫度低于３８℃[2]。
②pH值
硝化菌對pH值變化非常敏感，最佳pH值是8.0～8.4，在這一最佳pH值條件下，硝化速度，硝化菌最大的比值速度可達最大值。Anthonison認為pH對硝化反應的影響只是表觀現(xiàn)象，實際起作用是兩個平衡H++NH3 = NH4+和H++NO2-= HNO2中的NH3（FA）和HNO2（FNA），pH通過這兩個平衡影響FA和FNA的濃度起作用的。
③溶解氧
氧是硝化反應過程中的電子受體，反應器內(nèi)溶解氧高低，必將影響硝化反應得進程。在活性污泥法系統(tǒng)中，大多數(shù)學者認為溶解氧應該控制在1.5～2.0mg/L內(nèi)，低于0.5mg/L則硝化作用趨于停止。當前，有許多學者認為在低DO（1.5mg/L）下可出現(xiàn)SND現(xiàn)象！≡贒O＞2.0mg/L，溶解氧濃度對硝化過程影響可不予考慮。但DO濃度不宜太高，因為溶解氧過高能夠?qū)е掠袡C物分解過快，從而使微生物缺乏營養(yǎng)，活性污泥易于老化，結(jié)構松散。此外溶解氧過高，過量能耗，在經(jīng)濟上也是不適宜的。
④生物固體平均停留時間（污泥齡）
為了使硝化菌群能夠在連續(xù)流反應器系統(tǒng)存活，微生物在反應器內(nèi)的停留時間（θc）N必須大于自養(yǎng)型硝化菌最小的世代時間（θc）minN，否則硝化菌的流失率將大于凈增率，將使硝化菌從系統(tǒng)中流失殆盡。一般對（θc）N的取值，至少應為硝化菌最小世代時間的2倍以上，即安全系數(shù)應大于2。
⑤重金屬及有毒物質(zhì)
除了重金屬外，對硝化反應產(chǎn)生抑制作用的物質(zhì)還有：高濃度氨氮、高濃度硝酸鹽有機物及絡合陽離子等。
3.反硝化作用
3.1 概念
反硝化作用是指在厭氧或缺氧（DO<0.3-0.5mg/L）條件下，硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及其其它氮氧化物被用作電子受體而還原為氮氣或氮的其它氣態(tài)氧化物的生物學反應。
3.2 細菌
這個過程反硝化菌完成。
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NO3―或者NO2―進行呼吸。研究表明，這種利用分子氧和NO3―之間的轉(zhuǎn)換很易進行，即使頻繁交換也不抑制其反硝化的進行。
大多數(shù)反硝化菌能進行反硝化的同時將NO3―同化為NH4+而供給細胞合成之用，這也就是所謂同化反硝化。只有當NO3―作為反硝化菌唯一可利用的氨源時NO3―同化代謝才能發(fā)生。如果廢水中同時存在NH4+，反硝化菌有限利用氨態(tài)氮進行合成。
3.3 反硝化過程
3.4 反硝化反應影響因素
1. 溫度
反硝化細菌對溫度變化雖不如硝化細菌那樣敏感，但反硝化效果也會隨溫度變化而變化。溫度越高，硝化速率也越高，在30～35℃時，DNR增至最大。當?shù)陀?5℃時，反硝化速率將明顯降低；至5℃時，反硝化將趨于停止。
2．pH值
pH值是反硝化反應的重要影響因素，對反硝化最適宜的pH值是6.5～7.5，在這個pH值的條件下，反硝化速率最高，當pH值高于8或者低于6時，反硝化速率將大為下降。
3.外加碳源
反硝化菌是屬于異養(yǎng)型兼性厭氧菌，在厭氧的條件下以NOx-N為電子受體，以有機物（有機碳）為電子供體。由此可見，碳源是反硝化過程中不可少的一種物質(zhì)，進水的C/N直接影響生物脫氮除氮效果的重要因素。一般BOD/TKN＝3～4，有機物越充分，反應速度越快，當廢水中BOD/TKN小于3時，需要外加碳源才能達到理想的脫氮目的。因此碳源對反硝化效果影響很大。反硝化的碳源來源主要分三類：一是廢水本身的組成物，如各種有機酸、淀粉、碳水化合物等；二是廢水處理過程中添加碳源，一般可以添加附近一些工業(yè)副產(chǎn)物，如乙酸、丙酸和甲醇等；三是活性污泥自身死亡自溶釋放的碳源，稱為內(nèi)源碳。
4.溶解氧
反硝化是異養(yǎng)兼性厭氧菌，只有在無分子氧而同時存在硝酸和亞硝酸離子的條件下，它們才能利用這些離子中的氧進行呼吸，使硝酸鹽還原。如反應器內(nèi)溶解氧較高，將使反硝化菌利用氧進行呼吸，抑制反硝化菌體內(nèi)硝酸鹽還原酶的合成，或者氧成為電子受體，阻礙硝酸鹽的還原。但是，另一方面，在反硝化菌體內(nèi)某些酶系組分只有在有氧條件下，才能合成，這樣，反硝化菌以在厭氧、好氧交替環(huán)境中生活為宜，溶解氧應控制在0.5mg/L。
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