蔡 慶

（重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院礦業(yè)與環(huán)境工程學(xué)院，中國 重慶 402260）

在傳統(tǒng)的廢水生物脫氮處理中，好氧硝化過程將廢水中的銨鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，為反硝化過程提供電子受體，是生物脫氮不可或缺的重要步驟。好氧硝化過程分兩步進行：首先由好氧氨氧化菌將NH4+氧化為NO2-，然后在亞硝酸氧化菌的作用下將NO2-氧化為NO3-。本文將著重介紹好氧硝化過程的主要功能微生物、生化機理及其影響因素。

1 好氧硝化過程功能微生物

好氧氨氧化菌是革蘭氏陰性專性化能無機自養(yǎng)菌[1]，以CO2為碳源，從氨氮氧化中獲取能量生長。伯杰氏細(xì)菌手冊將好氧氨氧化細(xì)菌（AOB）歸為硝化桿菌科 （Nitrobacteriaceae），劃分為5個屬：亞硝化球菌屬（Nitrosococcus）、亞硝化葉菌屬（Nitrosolobus）、亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）、亞硝化螺菌屬（Nitrosospira）、亞硝化弧菌屬（Nitrovibrio）。AOB從氨的氧化中獲取能量，靠固定無機CO2滿足生長所需碳源，常見于土壤、淡水和海水。從系統(tǒng)發(fā)育樹上AOB可分為兩類，一類為Proteobacteria科γ亞綱，僅有一個屬（Nitrosococcus），其代表為Koops和Pommerening-Roser發(fā)現(xiàn)的兩種海洋種[2]；另一類為Proteobacteria科β亞綱，包括nitrosolobus屬，Nitrosospira屬，Nitrosovibrio屬和Nitrosomonas屬。

亞硝酸氧化菌和氨氧化菌的生理特性大致相似，但兩類菌群間并不存在親緣關(guān)系。亞硝酸鹽氧化菌（NOB）為革蘭氏陰性專性化能無機自養(yǎng)菌， 劃分為 4 個屬：Nitrobacter、Nitrococcus、Nitrospina 和 Nitrospira，其中Nitrobacter屬于Proteobacteria科α亞綱[3]。NOB自養(yǎng)生長時，以亞硝酸鹽為電子供體，氧氣為電子受體，CO2為碳源，進行代謝[4]。

2 硝化過程生化反應(yīng)機理

好氧氨氧化過程相繼經(jīng)歷NH3氧化成NH2OH和NH2OH氧化成NO2-兩個步驟，氨單加氧酶（AMO）和羥胺氧還酶（HAO）分別是這兩個反應(yīng)的催化酶，好氧氨氧化反應(yīng)方程式如下[5]：

由（1）-（3）得到氨氧化總反應(yīng)：

好氧氨氧化菌的代謝過程包括合成代謝和分解代謝，以C5H7NO2為細(xì)菌的經(jīng)驗分子式，包含無機碳源固定過程的氨氧化細(xì)菌細(xì)胞反應(yīng)計量學(xué)方程式可表達為：

氨氧化過程的生化反應(yīng)機理與電子傳輸途徑見圖1。在氨氧化過程中以氨為電子供體，分子氧為電子受體進行反應(yīng)；氨氧化過程釋放4個電子，其中的2個傳遞給AMO，另外2個進入呼吸鏈，在C552、C554、P460等細(xì)胞色素中傳遞，這2個電子最后可能經(jīng)C552傳遞給aa3細(xì)胞色素氧化酶，以氧為最終電子受體；也可能傳遞給亞硝酸還原酶，以亞硝酸為最終電子受體。

亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽是一步完成的，硝酸鹽中的氧原子來自水，亞硝酸鹽氧還酶（NOR）起主導(dǎo)作用。

其總反應(yīng)式可表示為：｝

3 硝化過程影響因素

在傳統(tǒng)生物脫氮運行條件下，污泥中好氧氨氧化菌與硝酸菌以及反硝化菌處于共生狀態(tài)，好氧氨氧化菌生成的NO2--N被亞硝酸氧化菌或反硝化菌利用，NO2--N不易積累，極易氧化成NO3--N[6]。游離氨（FA）、游離亞硝酸（FNA）、溶解氧（DO）、溫度、堿度均會對微生物活性產(chǎn)生影響，微生物的生長速率可用包含細(xì)菌衰減速率的Monod方程描述：

其中，μ 為生長速率（/d）；μmax為最大比增長速率（/d）；Ks為半飽和系數(shù)（g/L）；Cs為受限基質(zhì)濃度（g/L）；b 為衰減系數(shù)（g/g/d）。

游離氨（FA）和游離亞硝酸（FNA）對氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌都有抑制作用，但亞硝酸鹽氧化菌對FA和FNA更為敏感。Anthonisen等人[7]建議使用方程10和11來估算FA和FNA的濃度。游離氨對亞硝酸鹽氧化菌細(xì)胞膜內(nèi)中亞硝酸鹽氧化還原酶的活動有很強的抑制作用，當(dāng)FA質(zhì)量濃度為2mg/L時，對亞硝酸鹽氧化反應(yīng)的抑制率達到90%[8]，較低濃度FA就可以使亞硝酸鹽氧化菌的活性受到嚴(yán)重?fù)p害，但氨氧化菌對FA的承受能力大得多；普遍認(rèn)為游離亞硝酸（FNA）對生物有毒，F(xiàn)NA濃度為0.4mg/L時，AOB生物合成活性完全受阻。

硝化細(xì)菌在4℃左右開始具有活性，其比生長速率隨著溫度的升高逐漸變大，到35-40℃達到最大，溫度超過40℃比生長速率急劇下降。常溫下污水處理廠實際運行過程中極少出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累，這是由于NOB在10-20℃范圍內(nèi)具有更高的生長速率，25℃以上的AOB的生長速率將超過NOB。

AOB具有較低的氧親和系數(shù)，AOB對氧的親和力比NOB高，因此較低的DO有利于抑制亞硝酸鹽氧化菌的生長。一般認(rèn)為發(fā)生亞硝酸積累的最佳溶解氧因此濃度為1.0-1.5mg/L，最大溶解氧濃度不應(yīng)超過2.5-3 mg/L。Ruiz等人[9]認(rèn)為溶解氧濃度在1.4mgO2/L，亞硝酸積累開始發(fā)生并隨著DO濃度的減少而增加，最大的亞硝酸積累發(fā)生在0.7 mgO2/L。Blackburne等人[10]在一個連續(xù)運行的反應(yīng)器中，控制DO為0.4mg/L，在室內(nèi)環(huán)境溫度下（溫度19-23℃），利用氨氧化菌更高的氧親合力，富集氨氧化菌和淘洗去除亞硝酸氧化菌，實現(xiàn)了90%的亞硝酸鹽積累。

傳統(tǒng)的硝化-反硝化過程中，堿度與氮去除直接相關(guān)，硝化過程氮氧化消耗的堿度為7.14g/gNoxidized，反硝化過程中形成的堿度為3.57g/gNreduced。Guisasola等人[11]利用呼吸測量和滴定測量技術(shù)研究了無機碳源（inorganic carbon,IC）受限對AOB的影響，結(jié)果表明AOB的活性在IC濃度低于36mgC/L時受到限制，而當(dāng)IC濃度低至1.2mgC/L時，NOB都不會受到影響。

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