微生物脫氮

微生物脫氮技術就是在人為控制下利用微生物將污水中的NO^3-還原為N₂清除廢水中硝態氮的過程。如果廢水中存在的含氮化合物是氨態氮，則先將氨態氮氧化為硝態氮即先進行硝化作用，然後再在厭氧條件下反硝化作用，進行脫氮，形成“硝化-反硝化”的脫氮過程與工藝。

基本介紹

• 中文名：微生物脫氮
• 外文名：Microbial denitrification
• 適用領域範圍：環境生態
• 實質：將污水中的硝酸根還原為氮氣
• 原理：硝化作用、反硝化作用
• 微生物：硝化細菌、反硝化細菌

簡介

微生物脫氮主要是通過微生物的硝化作用和反硝化作用，使廢水中的各種含氮化合物轉化為分子氮過程。根據細菌在系統中存在的狀態，生物脫氮的工藝可分為懸浮污泥系統和膜法系統兩大類，每一大類又可分為去碳、硝化、反硝化結合的單級污泥系統以及去碳、硝化、反硝化相分隔的多級污泥系統。

微生物脫氮的工藝流程有多種。傳統的流程為三級活性污泥法工藝，即污水進入一級反應器進行氨化作用，使有機物中的含氮物質脫氨；出水沉澱進入二級反應器進行硝化作用，使氨在有氧條件下氧化為硝態氮；出水沉澱進入三級反應器，使硝態氮在無氧條件下反硝化形成氣態氮N₂，逸入大氣，完成脫氮過程。每一級出水沉澱都進行污泥回流以提高反應器工作效率。目前套用較多的是A/O脫氮工藝。現在也已開發出利用將氨的氧化控制在形成NO₂為止，即只到亞硝化階段，然後即進入反硝化階段，以節省用於進一步硝化的通氣（約25%）和碳源（約40%），減少成本支出。這一工藝稱為短程脫氮工藝或簡捷硝化-反硝化脫氮工藝。利用氨厭氧氧化脫氮的工藝也正日趨成熟，氨在有少量NO₃存在並作為電子受體的條件下厭氧氧化為N₂。

脫氮原理

脫氮是先利用好氧段經硝化作用，由亞硝化細菌和硝化細菌的協同作用，將NH₃轉化為NO₂～N和NO₃～N。再利用缺氧段經反硝化細菌將NO₂～N（經反亞硝化）和NO₃～N（經反硝化）還原為氮氣（N₂），溢出水面釋放到大氣，參與自然界氮的循環。水中含氮物質大量減少，降低出水的潛在危險。

硝化、脫氮微生物

硝化作用段及微生物

亞硝化細菌和硝化細菌的資源豐富，廣泛分布在土壤、淡水、海水、味道不好的水和污水處理系統中。在自然界中，硝化細菌是好氧菌，然而，在氧分壓極低的情況下污水處理系統和海洋沉澱物中也可分離出硝化細菌。在pH=4的土壤、溫度低於-5 ℃和5 ℃的深海、溫度達到60 ℃或更高的溫泉及沙漠中都可分離到硝化細菌。

亞硝化細菌和硝化細菌是革蘭氏陰性菌。其生長速率均受基質濃度（NH₃和HNO₂）、溫度、pH、氧濃度控制。其全部是好氧菌，絕大多數營無機化能營養，有的可在含有酵母浸膏、蛋白腖、丙酮酸或乙酸的混合培養基中生長，不營異養。卻有個別的可營有機化能營養。在污水處理系統和自然環境中，硝化細菌有附著在物體表面和在細胞束內生長的傾向，形成胞囊結構和菌膠團。

① 氧化氨的細菌：有好氧的和厭氧的兩種。

1）好氧氨氧化細菌：好氧氨氧化細菌即好氧的亞硝化細菌，以NH₃為供氫體，O₂作為最終電子受體，產生HNO₂。而其中的亞硝化葉菌屬在低氧壓下能生長，化能無機營養，氧化NH₃為HNO₂，從中獲得能量供合成細胞和固定CO₂。生長溫度範圍為2～30 ℃，最適溫度為25～30 ℃。pH範圍為5.8～8.5，最適pH為7.5～8.0。有的菌株能在混合培養基中生長，不營化能有機營養。其中的亞硝化單胞菌和亞硝化螺菌能利用尿素作基質。高的光強度和高氧濃度都會抑制生長。在最適條件下，亞硝化球菌屬的代時為8～12 h，亞硝化螺菌屬的代時為24 h。菌體內含淡黃至淡紅的細胞色素。

2）厭氧氨氧化細菌：厭氧氨氧化細菌為厭氧的、以NH₃為供氫體、以NO₂或NO₃為最終電子受體的一類氧化氨為N₂的細菌。這一類細菌尚未見有純培養的報導。

3）厭氧氨反硫化細菌：厭氧氨反硫化細菌是以NH₃為供氫體，以SO₄作最終電子受體的一類將氨氧化為N₂的細菌。這一類細菌尚未見有純培養的報導。

② 氧化亞硝酸細菌：即硝化細菌，多數氧化亞硝酸細菌在pH為7.5～8.0，最適溫度25～30 ℃，亞硝酸濃度為2～30 mmol/L時化能無機營養生長最好。其代時隨環境可變，由8 h到幾天。硝化桿菌屬既進行化能無機營養又可進行化能有機營養，以酵母浸膏和蛋白腖為氮源，以丙酮酸或乙酸為碳源。硝化桿菌屬在營化能無機營養生長中，氧化NO₂產生的能量僅有2%～11%用於細胞生長，氧化85～100 mol NO₂用於固定1 mol CO₂。在分批培養中，最大產量是4×10⁷個（細胞）/mL。在進行化能無機營養時的生長速率比進行化能有機營養時快。硝化螺菌屬則相反，在營化能無機營養時的生長速率比混合營養中慢，前者的代時為90 h，後者的代時為23 h。硝化桿菌屬細胞內的貯存物有：羧酶體或叫羧化體、糖原、聚盧一羥基丁酸（PHB）、多聚磷酸鹽，含淡黃至淡紅的細胞色素。

反硝化作用段及其細菌

① 反硝化細菌：反硝化細菌是所有能以NO₃為最終電子受體、利用低分子有機物作供氫體、將NO₃還原為N₂的細菌總稱。反硝化細菌種類很多，其中的假單胞菌屬內能進行反硝化的種最多，如銅綠假單胞菌、螢光假單胞菌、施氏假單胞菌、門多薩假單胞菌、綠針假單胞菌、致金色假單胞菌。

在廢水處理過程中發現另外一種反硝化菌，可以利用NO₂作最終電子受體，利用低分子有機物作供氫體，將NO₂還原為N₂。

② 反硝化段運行操作：反硝化段運行操作關鍵指標有碳源（即電子供體或叫供氫體）、pH（由鹼度控制）、最終電子受體NO₃和NO₂、溫度和溶解氧等。