廢水處理中生物脫氮基本反應(yīng)原理分析
進(jìn)行生物脫氮可分為氨化－硝化－反硝化三個(gè)步驟。由于氨化反應(yīng)速度很快，在一般廢水處理設(shè)施中均能完成，故生物脫氮的關(guān)鍵在于硝化和反硝化。生物脫氮是在微生物的作用下，將有機(jī)氮和NH3-N轉(zhuǎn)化為N2和NxO氣體的過(guò)程。
廢水中存在著有機(jī)氮、NH3-N、NOx－-N等形式的氮，而其中以NH3-N和有機(jī)氮為主要形式。在生物處理過(guò)程中，有機(jī)氮被異養(yǎng)微生物氧化分解，即通過(guò)氨化作用轉(zhuǎn)化為成NH3-N，而后經(jīng)硝化過(guò)程轉(zhuǎn)化變?yōu)镹Ox－-N，*后通過(guò)反硝化作用使NOx－-N轉(zhuǎn)化成N2，而逸入大氣。
1.氨化作用
氨化作用是指將有機(jī)氮化合物轉(zhuǎn)化為NH3-N的過(guò)程，也稱為礦化作用。參與氨化作用的細(xì)菌稱為氨化細(xì)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：
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(yīng)。例如尿素能被許多細(xì)菌水解產(chǎn)生氨，分解尿素的細(xì)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(yīng)式如下：
在厭氧或缺氧的條件下，厭氧微生物和兼性厭氧微生物對(duì)有機(jī)氮化合物進(jìn)行還原脫氨、水解脫氨和脫水脫氨三種途徑的氨化反應(yīng)。
2.硝化作用
硝化作用是指將NH3-N氧化為NOx－-N的生物化學(xué)反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程由亞硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)兩個(gè)步驟。該反應(yīng)歷程為：
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(yīng)時(shí)細(xì)菌分別從氧化NH3-N和NO2－-N的過(guò)程中獲得能量，碳源來(lái)自無(wú)機(jī)碳化合物，如CO32－、HCO－、CO2等。假定細(xì)胞的組成為C5H7NO2，則硝化菌合成的化學(xué)計(jì)量關(guān)系可表示為：
由上式可以看出硝化過(guò)程的三個(gè)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；
⑵硝化過(guò)程細(xì)胞產(chǎn)率非常低，難以維持較高物質(zhì)濃度，特別是在低溫的冬季；
⑶硝化過(guò)程中產(chǎn)生大量的質(zhì)子（H+），為了使反應(yīng)能順利進(jìn)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(jì))。
pH做為基本的污水指標(biāo)，勢(shì)必成為供求的熱點(diǎn)，這對(duì)廣大的E-1312 pH電極，S400-RT33 pH電極制造商，比如美國(guó)BroadleyJames來(lái)說(shuō)是個(gè)重大利好。美國(guó)BroadleyJames做為老牌的E-1312 pH電極，S400-RT33 pH電極制造商，必將為中國(guó)的環(huán)保事業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。我們美國(guó)BroadleyJames生產(chǎn)的E-1312 pH電極，S400-RT33 pH電極經(jīng)久耐用，質(zhì)量可靠，測(cè)試準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于各級(jí)環(huán)保污水監(jiān)測(cè)以及污水處理過(guò)程。
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，NOx―-N及其它氮氧化物被用作電子受體被還原為氮?dú)饣虻�的其它氣態(tài)氧化物的生物學(xué)反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程由反硝化菌完成。反應(yīng)歷程為：
可以是任何能提供電子，且能還原NOx―-N為氮?dú)獾奈镔|(zhì)，包括有機(jī)物、硫化物、H+等。進(jìn)行這類反應(yīng)的細(xì)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(xì)菌，它們?cè)谧匀唤缰袕V泛存在。有分子氧存在時(shí)，利用O2作為*終電子受體，氧化有機(jī)物，進(jìn)行呼吸；無(wú)分子氧存在時(shí)，利用NOx―-N進(jìn)行呼吸。研究表明，這種利用分子氧和NOx―-N之間的轉(zhuǎn)換很容易進(jìn)行，即使頻繁交換也不會(huì)抑制反硝化的進(jìn)行。
大多數(shù)反硝化菌能進(jìn)行反硝化的同時(shí)將NOx―-N同化為NH3-N而供給細(xì)胞合成之用，這也就是所謂同化反硝化。只有當(dāng)NOx―-N作為反硝化菌可利用的氨源時(shí)NOx―-N同化代謝才可能發(fā)生。如果廢水中同時(shí)存在NH3-N，反硝化菌有限地利用NH3-N進(jìn)行合成。
4.同化作用
在生物脫氮過(guò)程中，廢水中的一部分氮（NH3-N或有機(jī)氮）被同化為異養(yǎng)生物細(xì)胞的組成部分。微生物細(xì)胞采用C60H87O23N12P來(lái)表示，按細(xì)胞的干重量計(jì)算，微生物細(xì)胞中氮含量約為12.5%。雖然微生物的內(nèi)源呼吸和溶胞作用會(huì)使一部分細(xì)胞的氮又以有機(jī)氮和NH3-N形式回到廢水中，但仍存在于微生物的細(xì)胞及內(nèi)源呼吸殘留物中的氮可以在二沉池中得以從廢水中去除。