硝化作用特性分析及討論

孫秦川， 權海榮， 王寶山

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070)

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硝化作用特性分析及討論

孫秦川， 權海榮， 王寶山

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070)

指出了利用生物法脫氮時，硝化作用進行的順利與否是影響脫氮工藝效率的重要步驟。從硝化作用的機理出發，著重從氨氮自養菌、NH3-N濃度、有機物濃度(主要是BOD)等方面分析和討論了其對硝化作用的影響。同時介紹了共代謝作用的機理，探討了其對脫氮作用的影響。為提高脫氮工藝能力、穩定運行和脫氮新工藝的研發提供理論基礎和幫助。

硝化作用；脫氮；溶解氧；硝化細菌

1　引言

近年來，隨著我國工業化的迅速發展和城市規模的不斷擴大，生活、生產過程中所排放出來的污染物總量與日俱增，尤其是所排廢水中的含氮化合物量一直居高不下[1]。含氮化合物進入水環境，會造成水體質量惡化，影響農業、漁業及城鎮環境質量，進而影響人體健康。氮化合物對水體環境的主要危害為：①消耗水體中的溶解氧，促使水質惡化；②影響水源水質，增加水處理費用；③造成水體富營養化；④對人和其他生物有毒害作用，長期飲用含氮水，導致新生兒的先天性心臟病；⑤影響水體透明度，使水具有色和氣味，影響感官；⑥可能會導致某些傳染病的爆發等[2]。可見，污廢水脫氮已成為我們必須面對和亟待解決的嚴峻問題。目前，常采用生物脫氮法進行污廢水脫氮處理，利用生物法脫氮時，硝化作用的好壞是影響脫氮工藝效率的重要步驟，只有充分了解硝化作用的特性及影響因素，才能更好的管理和控制工藝的運行，提高水處理效率。有關硝化作用的基本影響因素主要包括溫度、pH值、溶解氧、有毒物濃度等，但大部分已得到廣泛研究，在此不予討論。本文將著眼點放在硝化作用的作用機理，NH3-N濃度、有機物濃度(BOD、COD)、氨氮自養菌等因素對硝化作用的影響上，并將共代謝作用應用于廢水脫氮，有望為廢水脫氮技術及相關工藝的深入研究與研發提供理論基礎和幫助。

2　硝化作用的機理

硝化作用指氨在微生物(硝化細菌)作用下氧化為硝酸的過程。硝化過程分兩部進行，首先在亞硝化菌的作用下，氨先轉化為亞硝酸鹽氮，然后再經硝化菌作用氧化為硝酸鹽氮。

反應方程為[3]：

連同同化作用在內，總反應為：

硝化過程中起主要作用的亞硝化菌和硝化菌都屬于化能自養菌，它們能利用氧化過程中產生的能量，利用CO2合成細胞有機質，這一過程需氧量較大，每去除1 g NH3-N約消耗4.33 g O2，生成0.15 g新細胞，減少7.14 g堿度(以CaCO3計)。同時，亞硝化菌和硝化菌都是小桿菌，喜歡在偏堿性條件下生長，且生長較緩慢。另外，硝化菌對外界環境條件的變化非常敏感，如何穩定運行是保證脫氮工藝高效的重要環節。

3　硝化細菌的生物學特性

之所以提出硝化細菌生物學特性這一問題是因為通過對硝化作用的研究發現，硝化細菌在硝化作用中起著關鍵的作用，它是硝化作用中起主要作用的、不可缺少的一個群體。硝化細菌包括硝化細菌和亞硝化細菌兩個生理菌群，其主要特征是生長速率低、具有好氧性、依附性和產酸性等。

3.1硝化細菌的主要特點

硝化過程中硝化細菌起著關鍵的作用。大部分硝化細菌是專一性的化能自養菌，能利用亞硝態氮獲得合成反應所需的化學能，在體內制成糖類，這一過程需要相當長的時間，對底物的要求具有很強的專一性。同時，因硝化細菌由自身合成糖類，這一過程需要相當長的時間，因而生長速度慢，平均代時在10 h以上。它是一種專性好氣菌，以O2為最終電子受體。大多硝化細菌無芽·孢，是革蘭氏陰性菌，繁殖方式為無形的二均分裂，只有維氏硝化細菌為芽殖方式。在生態分布上，有些屬分布較廣，有的則較局限。如硝化球菌和硝化刺菌的種僅分布在海水中，而大多數普遍的存在于中性或微堿性，通氣良好、含氨態氮的土壤中或淡水中[4]。

3.2硝化細菌的作用原理

硝化細菌通過硝化作用氧化無機化合物從而獲取能量來滿足自身的代謝要求，并且以CO2作為唯一碳源，是典型的化能無機營養菌。與此同時，王祖農在化能自養菌簡介[5]中將化能自養菌特點歸納為：①利用無機化合物的氧化取得生活必需能量；②用CO2作為碳源合成自己的細胞物質；③不能像異氧菌一樣的利用現成的有機物質。可見自養性硝化細菌是嚴格意義上的自養菌，它不會影響廢水中有機物的濃度。

4　NH3-N濃度對硝化作用的影響

生物法脫氮主要是去除污水中的含氮化合物，主要包括：有機氮，氨氮，亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮。研究發現污水中NH3-N濃度會對硝化作用產生一定的影響。

劉芳[6]等人利用間歇式活性污泥反應器進行實驗，通過對硝化系統中自養菌動力學參數的測定及其影響因素的研究得出結論，隨著污水中起始NH3-N濃度的增加，自養細菌最大增長速率值呈下降趨勢，表明較高的NH3-N濃度會對自養細菌生長產生抑制作用，從而影響硝化作用的進行。

周鍵[7]等通過SBBR反應器，考察NH3-N質量濃度對SBBR反應器短程硝化效能的影響時發現，當進水NH3-N質量濃度逐步提高時，出水NH3-N質量濃度在反應器初期均有所升高，但隨著反應器運行時間的時間的延長，出水NH3-N質量濃度均逐漸降低，去除率逐漸增加直至穩定。隨著進水NH3-N質量負荷的增大，NH3-N去除率逐漸下降。當進水NH3-N質量濃度為3000mg/L時，NH3-N的平均去除率為1700.8 mg/L·d達到最大，系統中亞硝化菌轉化效能最高。隨著進水NH3-N質量濃度繼續增加，NH3-N平均去除率迅速下降。

王春英[8]利用自制好氧裝置進行硝化實驗，考察堿度、氨氮負荷和COD對以硝化菌群為優勢菌群的獨立硝化的影響，實驗結果表明氨氮負荷影響硝化速率，氨氮濃度過低時硝化菌受底物抑制，氨氮濃度太高對硝化菌有毒害作用以致硝化作用不完全。因此實際脫氮時應控制進水氨氮濃度，實現硝化作用的最大效率。

5　BOD、COD等有機物濃度對硝化作用的影響

BOD是生物化學需氧量，它代表了可生物降解的有機物的含量。COD是化學需氧量，它代表了可生物降解和難生物降解的有機物的含量。硝化細菌對環境很敏感，為了使硝化反應進行正常，保證脫氮效果，脫氮系統的BOD/TKN應在4～6以上，表1[9]為參考資料所推薦的比值。在研究有機物濃度對硝化作用的影響過程中發現，其實有機物本身并不影響硝化細菌的性能，有機物對于硝化細菌的影響主要是通過由它所引起的異氧菌的生長而產生的。異氧菌在有機物存在的情況下，會與同一環境中生長的硝化細菌爭奪溶解氧、氨等營養物質，同時硝化細菌的生長速率緩慢，因而不利于硝化細菌生長，進而影響硝化作用的效果。有文獻[10]記載當進水有機負荷較高時，在活性污泥系統中占優勢的異養氧化菌將會首先利用氨物質進行合成代謝，大量消耗溶解氧，從而抑制硝化作用的進行。另文獻資料顯示[11]，只有當污水中的碳源大大消耗，BOD降至20mg/L以下時，自養型的硝化細菌才能逐漸取得競爭優勢，硝化反應才得以進行。可見，在硝化過程中需要較好的控制有機物的濃度，尤其是BOD濃度，為硝化細菌的生長創造有利的生長環境，促進其生長，進而促進硝化作用的進行。

表1　不同C/N比的脫氮效果

6　共代謝作用在生物脫氮中的應用

共代謝是指生長基質存在時，生長基質在為微生物代謝提供足夠的碳源和能源的同時，誘導微生物產生關鍵酶降解非生長基質，但是非生長基質的降解不能為微生物提供能量也不能合成為細胞物質[12]。例如一些難降解有機物，某些重金屬、絡合離子和有毒有機物不僅不能被普通微生物降解，且對硝化細菌和反硝化細菌有毒害作用，從而影響脫氮效果(難降解物質不能被代謝到要求程度都是由于微生物體缺乏降解該物質或該物質中間產物的酶[13])。

只有當污水中的碳源大大消耗，BOD降至20mg/L以下時，自養型的硝化細菌才能逐漸取得競爭優勢，硝化反應才得以進行。基于微生物的共代謝機理，可通過將共代謝型微生物接種于普通活性污泥中，利用共代謝型微生物降解難降解微生物，使得BOD值大程度降低，為自養型硝化細菌的生長奠定良好基礎。

能進行共代謝的微生物有無色桿菌、節桿菌、黑曲霉、固氮菌、芽孢桿菌、短桿菌、黃色桿菌、微桿菌、微球菌、紅色微球菌、黃色假單胞菌、黃色鏈霉葡等[14]。在實際利用共代謝作用降解有機污染物的操作過程中往往選擇混合微生物進行共培養，從而達到將目標污染物徹底降解的目的。如李成都[15]在研究烷基苯磺酸鹽共代謝降解過程中發現，在同樣實驗條件下，分別用甲烷培養菌共培養物和從該培養物中分離出一株降解菌共代謝降解烷基苯磺酸鹽，共培養能夠更徹底的降解目標污染物，而純培養只能進行烷基苯磺酸鹽的起始幾步氧化。這表明了在共代謝過程中，混合菌之間存在相互作用，可以促進目標菌株的生長，有利于目標污染物的徹底降解，避免了可能有毒性的中間產物在環境中的累積。同時文獻[16]顯示，實際工程中常選用一些廉價且易得的共代謝物質(生長基質),如葡萄糖和生活污水(城市污水)。因此，可以利用共降解微生物的共降解作用首先去除污水中的部分難降解有機物和有毒物質，為硝化作用創造適宜的條件，促進硝化作用的順利進行。

7　結論

(1)自養型硝化細菌是完全的自養型微生物，利用CO2作為碳源合成自己的細胞物質，不會與異氧菌爭奪現成有機物質。也就是說，在硝化作用中，自養型硝化細菌不會利用污水中現成的有機物如COD、BOD等合成自身的細胞物質，它不會影響污水的有機物濃度。

(2)硝化作用的影響因素中，①隨著NH3-N濃度的增加，對自養菌產生抑制作用，從而不利于硝化作用的進行。②BOD本身并不影響硝化細菌的性能。它對于硝化細菌的影響主要通過由它所引起的異氧菌的生長而產生的。異氧菌在有機物存在的情況下，與硝化細菌爭奪溶解氧、氨等營養物質，由于硝化細菌的生長速率緩慢，從而不利于硝化細菌生長，進而影響硝化作用的效果。只有當污水中的碳源大大消耗，BOD降至20mg/L時，自養型的硝化細菌才能逐漸取得競爭優勢，硝化反應才得以進行。

(3)從共代謝機理應用來說，含難降解化合物的工業污水和生活污水合流處理是個方向。這樣可為硝化細菌的生長創造有利條件，有利于硝化細菌的生長，從而促進硝化作用的順利進行。

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Analysis and Discussion on the Characteristics of Nitrification

Sun Qinchuan, Quan Hairong, Wang Baoshan

(SchoolofEnvironmentandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

When using biological method to remove nitrogen, the effect of nitrification is an important step in the process of nitrogen removal . This paper, based on the mechanism of denitrification , focused on ammonia nitrogen autotrophic bacteria, concentration of NH3-N and organic matter (BOD), analyzed and discussed the influence of nitrification. The mechanism of CO-metabolism was introduced, and its effect on the removal of nitrogen was also discussed. It provided theoretical basis and was helpful for the research and development of new technology,which improved the ability of nitrogen removal and its stable operation .

nitrification; nitrogen removal; dissolved oxygen; nitrifying bacteriar

2016-06-03

國家自然科學基金項目(編號：51368029)；國家科技支撐計劃子課題 (編號：2012BAC04B02)

孫秦川 (1990—)，男，蘭州交通大學碩士研究生。

王寶山(1978—)，男，博士，副教授，主要從事環境污染控制方面的研究工作。

X520.5

A

1674-9944(2016)14-0068-03