生物硝化过程与影响因素

生物硝化过程与影响因素

一、生物硝化过程

氨氮被氧化成硝酸盐的反应是由两组自养型好氧微生物通过两个过程来完成的。

第一步先由亚硝酸菌将氨氮 (NH4+和 NH?) 转化为亚硝酸盐 (NO2-) 。 

第二步再由硝酸菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐 (NO?-) 。 

生物硝化的生化反应过程如图所示：

 

EP—黄素蛋白；Cyt—细胞色素；NAD+—烟酰胺腺嘌呤二核苷酸； ATP—三磷酸腺嘌呤二核苷酸；/—高能中间体

 

FAD—黄素腺嘌呤二核苷酸

亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺菌属、亚硝酸球菌属、亚硝酸叶菌属和亚硝酸弧菌属。硝酸菌有硝酸杆菌属、硝化螺菌属、硝化球菌属、硝化刺菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。硝化菌属专性好氧菌，它们利用无机化合物如CO₂^2- 、HCO₃^- 和CO₂ 作碳源，从NH₄⁺或 NO₂ 的氧化反应中获得能量。在生理浓度条件下，NH₄⁺氧化为NO₂^-产生能量为242.8～351.7kJ/moL，所产生的能量亚硝酸菌可以利用5%～14%；NO₂^-氧化为 NO₃^- 产生能量约为64.5～87.5kJ/mol,硝酸菌的能量利用率为5%～10%。由于氨氮和亚硝酸盐氧化过程产能低，所以硝化菌生长缓慢，这也是在污水处理过程中氨氮指标容易波动的主要原因。

硝化菌亚硝酸菌和硝酸菌的特性如表所示： 

项目	亚硝酸菌	硝酸菌
细胞形状	椭球或棒状	椭球或棒状
细胞尺寸（um）	1~1.5	0.5~1
革兰氏染色	阴性	阴性
世代期（h）	8~36	12~59
自养性	专性	专性
需氧性	严格好氧	严格好氧
最大比增长速率（h-1）	0.96~1.92	0.48~1.44
产率系数（mg细胞/mg底物）	0.04~0.13	0.02~0.07
饱和常数（mg/L）	0.6~3.6	0.3~1.7

硝化菌的最大比增长速率的值要比异养微生物的值小一个数量级，这意味着硝化菌所需的泥龄也比异养菌大一个数量级。饱和常数是微生物达到最大速率一半时的底物浓度，硝化菌的另一个特点是饱和常数小，城市污水处理厂进水中氨氮浓度一般为30～40mg/L，意味着只要有足够长的泥龄就能使硝化菌稳定生长，在完全混合反应器中就可以达到很高的硝化程度。

亚硝酸菌将氨氧化为亚硝酸盐的反应和硝酸菌将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的反应可用下边公式表示：

2NH₄⁺+ 3O₂→ 2NO₂^-+2HO₂ + 4H⁺  （亚硝化菌作用下）

2NO₂^- + O₂ → 2NO₃^-  （硝化菌作业下）

如用C₅H₇NO₂表示硝化菌细胞的化学组成，则包括氨氮氧化和新细胞合成的反应式为：

55NH₄+76O?+109HCO?→C?H?NO?+54NO₂+57H?O+104H?CO?

400NO?+NH₄⁺ +4H?CO?+HCO?^-+195O?→C?HNO?+3H?O+400NO?^-

公式合并得下式：

NH?+1.83O₂+1.98HCO?^-→0.02C?H?NO?+1.04H?O+0.98NO?^-+1.88H?CO?

 如果不考虑硝化过程中硝化菌的增殖，可计算出氧化1g NH₄-N 为 NO₂-N时 耗氧3.43g，氧化lgNO₂-N为 NO₃-N 时耗氧1.14g，所以氧化1gNH₄-N为 NO₃-N时共耗氧4.57g。

可以计算出每氧化1gNH₄-N为 NO₃-N要消耗碱度7.14g( 以CaCO₃计）。根据热力学理论可以计算出，亚硝酸菌和硝酸菌的产率系数分别为0.29mgVSS/mgNH₄-N 和0.084mgVSS/mgNO₂-N。因条件不同，亚硝酸菌和硝酸菌的产率系数也有所不同。

美国环保局在1993年出版的脱氮手册中报道的活性污泥生物脱氮系统中硝化菌产率系数实验测定值为0 .06～0.20gVSS/gNH₄-N。美国环保局认为设计中可以采用的硝化菌产率为0.1～0.15gVSS/gNH₄-N。每氧化1gNH₄-N 消耗无机碳源0.08g。

硝化反应过程中氮元素的转化及氧化还原态的变化如表所示：

氮的价态变化	氮的转化
-3	氨或铵离子NH?NH4+
-1	羟胺NH2OH
0	氮 气 N?
1	硝酰基NOH
2	(NO2·NHOH)
3	亚硝酸盐NO2-
5	硝酸盐NO3-

 由此可见，将 NH₄-N 氧化为NO₂-N 经历了3个步骤6个电子变化，这说明亚硝酸菌的酶系统十分复杂，而硝化反应只经历了1步和2个电子变化，相对简单。

通过上述公式和描述 NH4-N 氧化为NO2-N 时所产生的能量大约为 NO2-N 氧化为NO3-N 时所产生能量的4～5倍。因此要想获得相同的能量，所氧化的NO2-N 量也必须相当于氧化NH4-N 量的4～5倍。所以在稳态条件下，生物处理系统不会产生亚硝酸盐的积累，亚硝化反应和硝化反应的饱和常数都小于1mg/L （温度<20℃时）。所以硝化反应过程中的速度限制步骤是亚硝化反应过程，这也是为什么正常的污水处理过程中亚硝酸盐浓度很低的原因。

二、环境因素对生物硝化过程的影响

1.温度

硝化反应受温度的影响很大，生物硝化反应可以在4℃～45℃的温度范围内进行。亚硝酸菌最佳生长温度为35℃，硝酸菌的最佳生长温度为35℃～42℃。高温段（50～60℃）不发生硝化。硝化菌对温度的变化非常敏感，温度不但影响硝化菌的比增长速率，而且影响硝化菌的活性。

不同温度下亚硝酸菌的最大比增长速率见下表：

温度（℃）	最大比增长速率μc(d-1)
10	0.3
20	0.65
30	1.2

在5～30℃范围内，随着温度升高，硝化反应速率也增加。温度超过30℃时，硝化反应速率降低。这是因为温度超过30℃时，蛋白质的变性降低了硝化菌的活性。当温度低于4℃时，硝化菌的生命活动几乎停止。对于同时去除有机物和进行硝化反应的系统，温度低于15℃即发现硝化速度急剧降低。低温对硝酸菌的抑制作用更为明显，因此在低温条件下（12～14℃）常常会出现亚硝酸盐的积累。

2.溶解氧

硝化反应必须在好氧条件下进行，硝化菌对溶解氧浓度极为敏感。溶解氧浓度也会影响硝化反应速率，一般建议硝化反应中溶解氧浓度大于2mg/L。

对于同时去除有机物和进行硝化反硝化的工艺，不可忽视溶解氧浓度对硝化菌比增长速率的影响。在这样的工艺系统中，硝化菌在活性污泥中约占5%左右，大部分硝化菌将处于生物絮体内部。在这种情况下，溶解氧浓度的增加将提高溶解氧对生物絮体的穿透力，因此可以提高硝化反应速率。在低泥龄条件下，由于含碳有机物氧化速率的增加使耗氧速率也增加，因而减少了溶解氧对生物絮体的穿透力，使硝化反应速率减小。相反，在长泥龄条件下，由于耗氧速率较低，即使溶解氧浓度较低，也可保证溶解氧对生物絮体的穿透能力，从而维持较高的硝化速率。因此，为了维持较高的硝化速率，泥龄降低时应提高溶解氧浓度。

不同有机负荷 F/M 和 DO 条件下生物絮体的好氧状态可用下图加以说明：

 

从上图可以看出，在负荷 F/M 低 、DO 也较低的情况下，整个生物絮体能够保持好氧状态，硝化反应速率最高。在中等负荷和 DO 较低的情况下，由于F/M  值高，增加了污泥絮体外层的耗氧速度，因而减少了溶解氧对生物絮体的穿透能力，使生物絮体内部出现了缺氧区，因此减少了硝化反应速率。在中等负荷和 DO 较高 的情况下，溶解氧对生物絮体穿透力的增加， 使整个生物絮体保持好氧状态，从而维持较高的硝化反应速率。

3.pH

从上述计算得知，硝化反应中每氧化lg氨氮要消耗碱度7.14g( 以CaCO计）。一般污水对于硝化反应来说，碱度往往是不充足的，因此，在硝化反应中，如不补充碱度，就会使pH值。硝化菌对pH值变化十分敏感，亚硝酸菌和硝酸菌 分别在pH值7.0～7.8和7.7～8.1时活性最强，pH值超出这个范围，活性就大大减小。在活性污泥法系统生物处理构筑物中，硝化反应中pH的适宜范围比单纯的亚硝酸菌和硝酸菌要宽一些。在pH 值7.0～8.0范围内，pH 值变化对活性污泥硝化速率的影响甚小，当pH值小于5.5时，硝化反应基本停止。

pH值的突然较大幅度降低对硝化过程也会产生不利影响，pH值从7.2降到6.0，出水NH₄-N浓度快速增加，但pH值再次回升到7.2时，NH₄-N去除率则迅速改善。这说明在一定范围内，较低的pH值对硝化菌只是抑制微生物的活性而不是对微生物发生毒害作用。

4.有毒物质

一些有机物对硝化菌有抑制作用，因为催化硝化反应的酶内含有CuI-CuⅡ 电子对，凡是与酶中蛋白质竞争Cu或直接嵌入酶结构的有机物都会对硝化菌产生抑制作用。

Blum 和 Speece (1990）将大量有机物对硝化作用的毒性进行了归纳总结，见下表：

化 合 物	生物降解性	生物降解速率	ECso/(mg/L)
		mgCOD/(gVSS ·h)	亚硝酸菌    异养菌
环己胺	A	—	97	29
辛烷	A	—	45	—
葵烷	C	—	—	—
十二烷	D	—	—	—
二氯甲烷	D	—	1.2	320.0
三氯甲烷	D	—	0.48	640
四氯化碳	—	—	51	130
1,1-二氯乙烷	—	—	0.91	620
1,2-二氯乙烷	—	—	29	470
1,1,1-三氯乙烷	—	—	8.5	450
1,1,2-三氯乙烷	—	—	1.9	240
1,1,1,2-四氯乙烷	—	—	8.7	230
1,1,2,2-四氯乙烷	—	—	1.4	130
五氯乙烷	—	—	7.9	150
六氯乙烷	—	—	32	—
1-氯丙烷	D	—	120	700
2-氯丙烷	—	—	110	440
1,2-二氯丙烷	—	—	43	—
1,3-二氯丙烷	C	—	4.8	210
1,2,3-三氯丙烷	—	—	30	290
1-氯丁烷	D	—	120	230
1-氯戊烷	D	—	99	68
1,5-二氯戊烷	—	—	13	—
1-氯己烷	D	—	85	83
1-氯辛烷	—	—	420	52
1-氯葵烷	D	—	—	40
1,2-二氯乙烯	D	—	—	—
反1,2-二氯乙烯	—	—	80	1700
三氯乙烯	A	—	0.81	130
四氯乙烯	—	—	110	1900
1,3-二氯乙烯	—	—	0.67	120
5-氯-1-戊炔	—	—	0.59	86
甲醇	A	26.0	880	20000
乙醇	A	32.0	3900	24000
1-丙醇	A	71.0	980	9600
1-丁醇	A	84.0	—	3900
1-戊醇	A	—	520	—
1-己醇	A	—	—	—
1-辛醇	A	—	67	200
1-葵醇	B	—	—	—
1-十二醇	B	—	140	210
2,2,2三氯乙醇	—	—	2	—
3-氯-1,2-丙二醇	D	—	—	—
乙醚	C	—	—	17000
异丙醚	D	—	610	—
丙酮	B	—	1200	16000
2-丁酮	—	—	790	11000
4-甲基-2-戊酮	—	—	1100	—
丙烯酸乙酯	—	—	47	—
丙烯酸丁酯	—	—	—	470
2-氯丙酸	A	24.0	24	0.18
三氯乙酸	D	0.0	0	—
二乙醇胺	A	16.0	16	—
乙腈	A	—	—	7500
丙烯腈	A	—	—	52
苯	A	—	—	520
甲苯	A	—	—	110
二甲苯	A	—	—	1000
乙苯	B	—	—	130
氯苯	D	—	—	310
1,2-二氯苯	—	—	—	910
1,3-二氯苯	D	—	—	720
1,4-二氯苯	D	—	—	330
1,2,3-三氯苯	—	—	—	—
1,2,4-三氯苯	D	—	—	7700
1,3.5-三氯苯	—	—	—	—
1,2,3,4-四氯苯	—	—	—	—
1,2,4,5-四氯苯	D	—	—	—
五氯苯	D	—	—	350
苯甲醇	A	—	—	2100
4-氯苯甲醚	—	—	—	902
2-糠醛	B	37.0	37	—
氰苯	B	—	—	470
间氰甲苯	—	—	—	290
硝基苯	A	14.0	14	370
2,6-二硝基甲苯	—	—	—	—
1-硝基蔡	—	—	—	380
蔡	A	—	—	670
菲	C	—	—	—
对二氨基联苯	D	—	—	—
嘧啶	A	—	—	—
喹啉	A	8.5	—	—
苯酚	A	80.0	21	1100
间甲酚	A	—	0.78	440
对甲酚	A	—	27	260
2,4-二甲酚	—	28.2	—	—
3乙酚	—	—	—	144
4-乙酚	—	—	14	—
2-氯酚	—	—	2.7	360
3-氯酚	—	—	0.2	160
4-氯酚	A	39.8	0.73	98
2,3二氯苯酚	—	10.5	0.42	210
2,4-二氯苯酚	—	—	0.79	—
2,5-二氯苯酚	—	—	0.61	180
2,6-二氯苯酚	—	—	8.1	410
3,5-二氯苯酚	—	—	3	—
2,3,4-三氯苯酚	—	—	52	7.8
2,3,5-三氯苯酚	—	—	3.9	—
2.3,6-三氯苯酚	—	—	0.42	14
2,4,5-三氯苯酚	—	—	3.9	23
2,4,6-三氯苯酚	—	—	7.9	—
2,3,5,6-四氯苯酚	—	—	1.3	1.5
五氯苯酚	—	—	6	—
2-溴苯酚	—	—	0.35	—
4-溴苯酚	B	—	0.83	—
2,4,6-三溴苯酚	—	—	7.7	—
五溴苯酚	—	—	0.27	—
间苯二酚	A	57.5	7.8	—
对苯二酚	B	54.2	—	—
2-氨基苯酚	—	21.1	0.27	—
4-氨基苯酚	—	16.7	0.07	—
2-硝基苯酚	—	14.0	11	11
3-硝基苯酚	—	17.5	—	—
4-硝基苯粉	A	16.0	2.6	160
2,4-二硝基苯酚	—	6.0	—	—

一些重金属对硝化菌也有抑制作用。有些研究指出，当pH值为7.7～8.0时，由于金属离子的浓度很低，硝化菌可以忍受10～20mg/L 的重金属浓度。对硝化菌有抑制作用的重金属有：Zn 、Cu 、Hg 、Cr 、Ni 、Ag 、Co 、Cd和Pb等。一些重金属达到以下浓度时将完全抑制亚硝酸菌的生长：Ni:0.25mg/L、Cr:0.25mg/L、Cu:0.1～0.5mg/L。需要说明的是，纯培养和活性污泥培养之间重金属对硝化菌的抑制作用差别很大，因为金属离子在液相中的活度与在污泥中的活度完全不同，这也就是活性污泥中的细菌更能耐受高浓度的金属离子的原因。

对硝化菌有抑制作用的无机物有： CN… 、CIO₄ 、HCN 、K?CrO? 、硫氰酸盐、叠氮化钠、三价砷和氟化物等。

游离氨和亚硝酸盐也会对硝化反应产生抑制作用，由于只有未水解的游离氨才对硝酸菌和亚硝酸菌具有抑制和毒害作用，而游离氨的比例随 pH 值的升高而增加，因此游离氨的毒性抑制作用与 pH 有关，和硝酸菌相比，亚硝酸菌对氨毒性敏感性低。工业废水氨浓度高，pH 值有可能发生大的变化，这可能会导致由于游离氨的毒性而使硝化菌中毒并停止硝化反应。

盐浓度对硝化作用的影响和离子的种类有关。如100mg/L氟化物可使硝化速率降低80%，硫酸盐浓度达到50g/L时却毫无影响，氯化物则表现出明显的抑制作用。

硝化菌的生长需要二氧化碳、磷及微量元素。由于硝化菌的细胞产率很低，从空气中可以得到足够的二氧化碳。Poduska(1973）发现，在纯培养基中为了刺激硝化菌的生长，微量元素的浓度为：

Ca         0.50mg/L

Cu         0.01mg/L

Mg         0.03mg/L

Mo         0.001mg/L

Ni         0. 1mg/L

Zn         1.0 mg/L

5.C/N 比

原污水中含碳有机物与未氧化含氮物质的浓度比值 (COD/TKN）一般较高。可生物降解含碳有机物与含氮物质浓度之比，是影响生物硝化速率和过程的重要因素。在活性污泥系统中，硝化菌占活性污泥微生物中的比例很小，约占5%左右，这是因为与异养细菌相比，硝化菌的产率低、比增长速率小。

 

 

硝化菌与活性污泥异养菌增殖比较

	世代时间（h）	最大比增长速率（d-1）
硝化菌	31	0.53
活性污泥中异养菌	2.31~8.69	1.92~7.2

对于活性污泥系统，由于硝化菌比增长速率低，世代期长，如果泥龄较短，将使硝化菌来不及大量增殖，就从系统中排出，为使活性污泥系统得到良好的硝化效果，就必须有较长的泥龄。 活性污泥中硝化菌的比例与污水的BOD₅/TKN比值有关，这是因为活性污泥系统中异养菌与硝化菌产率不同，以及在活性污泥系统中异养菌与硝化菌竞争底物和溶解氧，使硝化菌的生长受到抑制。

对于不同BOD₅/TKN比值时活性污泥微生物产生量中硝化菌所占的比例。

城市污水处理厂BOD₅/TKN与活性污泥中硝化菌的比率

BOD?/TKN	硝化菌比率	BOD?/TKN	硝化菌比率
0.5	0.35	5	0.054
1	0.21	6	0.043
2	0.12	7	0.037
3	0.086	8	0.033
4	0.064	9	0.029

 对于处理城市污水的活性污泥系统，硝化菌所占的比例通常多数在8%以下。 一般认为处理系统的BOD负荷小于0.15g BOD/(gMLSS·d) 时，处理系统的硝化反应才能正常进行。