反硝化原理
2011-11-20 19:28阅读：
A、反硝化反应
反硝化反应是由一群异养型微生物完成的生物化学过程。在缺氧(不存在分子态溶解氧)的条件下，将亚硝酸根和硝酸根还原成氮气、一氧化氮或氧化二氮。参与反硝化过程的微生物是反硝化菌。反硝化菌属兼性菌，在自然环境中几乎无处不在，在废水处理系统中许多常见的微生物都是反硝化细菌。当有溶解氧存在时，反硝化菌分解有机物利用分子态氧作为最终电子受体。在无溶解氧的情况下，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N(V)和N(III)作为能量代谢中的电子受体，O2-作为受氢体生成H2O和OH-碱度，有机物作为碳源及电子供体提供能量并被氧化稳定。
生物反硝化过程可用以下二式表示：
2NO2- + 6H( 电子供体有机物) → N2 +
2H2O + 2OH-
(1)
2NO3- + 10H( 电子供体有机物) → N2 +
4H2O + 2OH-
br>
(2)
反硝化过程中亚硝酸根和硝酸根的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异化作用来完成的。同化作用是指亚硝酸根和硝酸根被还原成氨氮，用来合成新微生物的细胞、氮成为细胞质的成分的过程。异化作用是指亚硝酸根和硝酸根被还原为氮气、一氧化氮或一氧化二氮等气态物质的过程，其中主要成分是氮气。异化作用去除的氮约占总去除量的70~75%。
反硝化过程的产物因参与反硝化反应的做生物种类和环境因素的不同而有所不同。例如，pH
值低于7.3时，一氧化二氮的产量会增加。当游离态氧和化合态氧同时存在时，微生物优先选择游离态氧作为含碳有机物氧化的电子受体。因此，为了保证反硝化的顺利进行，必须确保废水处理系统反硝化部分的缺氧状态。废水中的含碳有机物可以作为反硝化过程的电子供体。由式(1)和式(2)计算，转化1g亚硝酸盐氮为氮气时，需要有机物(以BOD
5表示)
1.71g，转化1g硝酸盐氮为氮气时，需要有机物(以BOD
5
表示)2.86g，与此同时产生3.57g碱度(以CaCO
3计)。如果废水中不含溶解氧，为使反硝化进行完全，所需碳源、有机物(以BOD
5表示)总量可用下式计算：
C=1. 71[NO
2-N] + 2.86[NO
3N]
(3)
式中：C——反硝化过程有机物需要量(以BOD5表示)，mg/L；
[NO
2- –N]——亚硝酸盐浓度，mg/L；
[NO
3- N]——硝酸盐浓度，mg/L。
当废水中碳源有机物不足时，可补充投加易于生物降解的碳源有机物，如甲醇等。同时考虑同化及异化两个代谢过程的反硝化反应可用下式表示：
NO
2-+0.67CH
3OH+0.53H
2CO
3→0.04C
5H
7NO
2+0.48N
2+1.23H
2O+HCO
3-
(4)
NO
3-+1.08CH
3OH+0.24H
2CO
3→0.056C
5H
7NO
2+0.47N
2+1.68H
2O+HCO
3-
(5)
由式(4)和式(5)可以计算，每还原1g亚硝酸盐氮和1g硝酸盐氮为氮气时，分别需要甲醇1.53g和2.47g。
为了降低运行成本，当然可以用城市废水或工业废水作为碳源。废水中一部分易生物降解的有机碳可以作为反硝化的碳源被微生物利用。另一部分有机物则是可慢速生物降解的颗粒性或溶解性有机物，虽可作为反硝化的碳源，但会使反硝化的速率降低。
根据有机碳源的不同，Barnard提出反硝化速率可以分为三个不同的速率阶段。第一阶段在5~15min内，反硝化速率为50mg/(L·h)，该阶段利用易生物降解的可溶性有机物作为碳源。第二阶段速率为16mg/(L·h)，用不溶或复杂的可溶性有机物作碳源，这一阶段一直延续到外部碳源用尽为止。第三阶段反硝化速率为5.4mg/(L·h)，用微生物内源代谢产物作碳源。
B、反硝化微生物菌属
参与反硝化过程的微生物是反硝化菌。反硝化细菌种类较多，大部分属于异养型兼性细菌，其主要包括假单胞菌属(pseudomonas)、变形杆菌属(proteus)、无色杆菌属(achromobacter)、芽孢杆菌(bacillus)、产碱菌属(alcaligenes)、气单胞菌属(aerobacter)、色杆菌属(chromobacterium)。各菌属的具体特征如下：
假单胞菌属：直或微弯的杆菌，不呈螺旋状，0.5~1.0μm×1.5~5.0μm。没有菌柄也没有鞘，不产芽孢。革兰氏阴性，以单级毛或数根极毛运动。需氧，进行严格的呼吸型代谢，以氧为最终电子受体。某些情况下，以硝酸盐为替代的电子受体进行厌氧呼吸。化能异养菌，有的种是兼性化能自养，利用H2或CO为能源。
变形杆菌属：细胞杆状，革兰氏阴性菌，0.4~0.6μm×1.0~3.0μm。不生荚膜，周生边毛运动，不需要有机生长因子，化能营养异养菌，兼性厌氧菌。
无色杆菌属：圆端的杆状，5~33μm×15~25μm。无鞭毛，微好氧，革兰氏染色阴性。化能异养菌。
芽孢杆菌属：细胞呈直杆状，0.5~2.5μm×1.2~10μm。革兰氏阳性，以周生鞭毛运动。能抗许多不良环境。每个细胞产一个芽孢，生孢不被氧所抑制。好氧或兼性厌氧，具有对热、pH和盐各种多样性的生理特性。化能异养菌，具发酵或呼吸代谢类型。利用NO
2-N或NO
3-N作为电子受体。
产碱菌属：呈杆状、球杆状或球状0.5~1.2μm×0.5~2.6μm。周生鞭毛运动，革兰氏染色阴性。化能异养菌，严格好氧菌，可利用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体进行厌氧呼吸。
气单胞菌属：圆端的直杆状，单个、成对或成链出现。鞭毛运动，革兰氏染色阴性。化能异养菌，可利用氧气或硝酸盐作为电子受体(将NO
3-N还原为NO
2-N)。
色杆菌属：杆状，两端钝圆，有时略呈细长弯曲，0.6~0.9μm×1.5~3.5μm。无荚膜，无静止期。革兰氏阴性。化能有机营养，以发酵代谢为主。可利用氧气或硝酸盐作为电子受体。
C、反硝化影晌因素
影响反硝化过程的因素有：
1)温度
温度对反硝化速率的影响与反硝化设备的类型(做生物的悬浮生长型与附着生长型)及硝酸盐氮负荷有关。例如，温度对生物流化床反硝化的影响比生物转盘和悬浮活性污泥法明显要小得多。当温度从20℃降到5℃时，达到同样的反硝化效果，生物流化床的水力停留时间为20℃运行条件下的2.1倍，而对生物转盘和活性污泥法则分别为4.6和4.3倍。反硝化反应的最适宜温度范围是20~40℃，低于5℃时反应速率会下降。为在低温条件下提高反硝化速率，可以采取延长污泥龄、降低负荷率和提高废水的水力停留时间等方法。
2) pH值
反硝化过程的最适宜pH 值为7.0~7.5 ，不适宜的pH 值影响反硝化菌的增殖和酶的活性。当pH 值低于6.0 或高于8.0
时，反硝化会受到明显的抑制。反硝化过程中会产生碱度，这有助于把pH
值保持在所需范围内，并补充在硝化过程中消耗的一部分碱度。理论计算表明，每还原1g 硝酸盐氮产生3.57g
碱度(以CaCO
3 计)
，但实测值低于理论计算值。对于悬浮生长型反硝化系统，此值为2.89g，而对于附着生长型反硝化系统，此值为2.95g。
3) 溶解氧
微生物反硝化需要保持严格的缺氧条件。溶解氧对反硝化过程有抑制作用，这主要是因为氧会与硝酸盐竞争电子供体，同时分子态氧也会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性。溶解氧对反硝化抑制作用的对比试验结果表明，当溶解氧为0mg/L时，硝酸盐的去除率为100%，而溶解氧为0.2mg/L时，则无明显的反硝化作用。一般认为，活性污泥系统中，溶解氧应保持在0.5mg/L以下，才能使反硝化反应正常进行。但在附着生长系统中，由于生物膜对氧传递的阻力较大，可以允许有较高的溶解氧浓度。
4) 碳源有机物
反硝化反应是由异养微生物完成的生化反应，它们在溶解氧浓度极低的条件下利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物作为碳源及电子供体。碳源物质不同，反硝化速率也不同。
5) 碳氮比
如上所述，理论上将1g硝酸盐氮还原为氮气需要碳源有机物(以BOD
5表示)2.86g。
一般认为，当反硝化反应器中废水的BOD
5/TKN值大于4~6时，可以认为碳源充足。
在单级活性污泥系统单一缺氧池前置反硝化（A/O)工艺中，碳氮比需求可高达8，这是因为城市废水成分复杂，常常只有一部分快速生物降解的BOD
5可用作反硝化的碳源物质。
6) 有毒物质
反硝化菌对有毒物质的敏感性比硝化菌低得多，与一般好氧异养菌相同。在应用一般好氧异养菌的抑制或毒性的文献数据时，应该考虑微生物被驯化的作用。通过试验得出反硝化菌对抑制和有毒物质的允许浓度。
