硝化与反硝化（短程硝化反硝化及影响因素）

硝化反应

硝化反应过程：在有氧条件下，氨氮被硝化细菌所氧化成为亚硝酸盐和硝酸盐。他包括两个基本反应步骤：由亚硝酸菌（Nitrosomonas sp）参与将氨氮转化为亚硝酸盐的反应；硝酸菌（Nitrobacter sp）参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应，亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌，它们利用CO₂、CO₃^2-、HCO^3-等做为碳源，通过NH₃、NH₄⁺、或NO₂^-的氧化还原反应获得能量。硝化反应过程需要在好氧（Aerobic或Oxic）条件下进行，并以氧做为电子受体，氮元素做为电子供体。

硝化反应包括亚硝化和硝化两个步骤:

 反硝化反应

反硝化反应过程：在缺氧条件下，利用反硝化菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气而从无水中逸出，从而达到除氮的目的。

反硝化是将硝化反应过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的过程，反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物。当有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体，当无分子态氧存在时，反硝化细菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N3+和N5+做为电子受体，O2-作为受氢体生成水和OH-碱度，有机物则作为碳源提供电子供体提供能量并得到氧化稳定，由此可知反硝化反应须在缺氧条件下进行。从NO3-还原为N2的过程如下：NO3-→NO2-→NO→N2O→N2反硝化过程中，反硝化菌需要有机碳源（如碳水化合物、醇类、有机酸类）作为电子供体，利用NO3-中的氧进行缺氧呼吸。

反硝化反应方程式为：

        NO₂^-+3H(电子供给体-有机物)  →  0.5 N₂+H₂O+OH^-

        NO₃^-+5H(电子供给体-有机物)  →  0.5 N₂+2H₂O+OH^-

短程硝化反硝化

短程硝化是指NH3生成亚硝酸根，不再生产硝酸根；而由亚硝酸根直接生成N2，称为短程反硝化。短程硝化反硝化是指NH3---NO2----N2，即可以从水中氨氮去除的一种工艺。

影响因素：

1、 pH

硝化反应的适宜的pH值为7.0～8.0之间，其中亚硝化菌7.0～7.8时，活性最好；硝化菌在7.7～8.1时活性最好。当pH降到5.5以下，硝化反应几乎停止。反硝化细菌最适宜的pH值为7.0～7.5之间。考虑到硝化和反硝化两过程中碱度消耗与产生的相互性，同步硝化与反硝化的最适的pH值应为7.5左右。

2、溶解氧（DO）

硝化过程的DO应保持在2～3mg/L，反硝化过程的DO应保持0.2～0.5mg/L。

反应池内溶解氧的高低，必将影响硝化反应的进程，溶解氧质量浓度一般维持在2～3mg/L，不得低于1mg/L，当溶解氧质量浓度低于0.5～0.7mg/L时，氨的硝态反应将受到抑制。反硝化通常需在缺氧条件下进行，溶解氧对反硝化有抑制作用，主要是由于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。

3、温度

生物硝化反应适宜的温度在20～30℃，反硝化适宜温度在30℃左右。

亚硝酸菌最佳生长温度为35℃，硝酸菌的适宜温度为20～40℃。15℃以下时，硝化反应速度急剧下降。温度对反硝化速率的影响很大，低于5℃或高于40℃，反硝化的作用几乎停止。

4、 碱度

一般污水处理厂碱度应维持在200mg/L左右。

NH₄⁺+1.83O₂+1.98HCO₃^-→0.021C₅H₇O₂N+0.98NO₃^-+1.04H₂O+1.884H₂CO₃ 

通过上述反应过程的物料衡算可知，在硝化反应过程中，将1g氨氮氧化为硝酸盐氮需约需耗7.14g碳酸氢盐（以CaCO3计）碱度。

NO₃^-+1.08CH₃OH+0.24H₂CO₃→0.06C₅H₇NO₂ +0.47N₂+1.68H₂O+HCO₃^-

在反硝化过程中，将1g硝酸盐氮还原成氮气，约产生3.57g碱（以CaCO3计），需要有机物（BOD5）约为2.86g。

微生物降解1 mg有机碳源BOD5，约产生0.1 mg碱度（以CaCO3计）。

5、碳氮比（C/N）

控制硝化过程的5<BOD5/TKN<8。

硝化细菌为自养菌，在硝化池中有机碳含量不宜过高，否则异养好氧菌繁殖速率过快，硝化菌难成为优势菌种；反硝化细菌为异养菌，有机碳源是反硝化细菌的电子供体提供者。有机碳源越充分，C/N越高，反硝化作用越明显，TN的去除率也越高。当BOD₅/TN>3时，碳源充足，无需补充外加碳源；BOD₅/TN<3时，需要补充外加碳源。

6. 水力停留时间（HRT）

硝化过程HRT可控制在4h～10h之间，反硝化HRT可控制在1h～4h之间。

因HRT过短，反应池中各微生物种群没有充分的时间生长，污泥流失过快，硝化反应和反硝化反应都没有得到充分的进行。当HRT达到一定的值时，再增加HRT，对脱氮作用没有显著的效果。因为长HRT条件下，系统的有机负荷率降低，会使生物的内源呼吸加剧，影响污泥的活性，最终降低系统对污染物去除效果。

7. 污泥停留时间（SRT）

硝化过程的泥龄（SRT）一般控制在10～20d。

硝化菌的增殖速度很小，其最大比生长速率为 0.3～0.5d^-1，为了维持池内一定量的硝化菌群，污泥停留时间必须大于硝化菌的最小世代时间。但是污泥停留时间太长，会导致系统有机负荷过低，许多微生物由于得不到所需要的营养会死亡。

比生长速率μ ：每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比生长速率

8. 氧化还原电位（ORP）

硝化段ORP值一般在+180mV左右，反硝化段的ORP值在－50～－110mV之间。 

氧化还原电位就是用来反映水溶液中所有物质表现出来的宏观氧化-还原性。越高，氧化性越强，电位越低，氧化性越弱。通过控制ORP可以间接控制溶解氧浓度，尤其氧化还原电位其在DO浓度比较低时，DO较小的改变反映在氧化还原电位上变化较大。

9. 碳源投加量

每克甲醇、乙醇、乙酸、乙酸钠、葡萄糖对应的COD、BOD₅