微生物脱氮

微生物脱氮主要是通过微生物的硝化作用和反硝化作用，使废水中的各种含氮化合物转化为分子氮过程。根据细菌在系统中存在的状态，生物脱氮的工艺可分为悬浮污泥系统和膜法系统两大类，每一大类又可分为去碳、硝化、反硝化结合的单级污泥系统以及去碳、硝化、反硝化相分隔的多级污泥系统。

微生物脱氮的工艺流程有多种。传统的流程为三级活性污泥法工艺，即污水进入一级反应器进行氨化作用，使有机物中的含氮物质脱氨；出水沉淀进入二级反应器进行硝化作用，使氨在有氧条件下氧化为硝态氮；出水沉淀进入三级反应器，使硝态氮在无氧条件下反硝化形成气态氮N2，逸入大气，完成脱氮过程。每一级出水沉淀都进行污泥回流以提高反应器工作效率。目前应用较多的是A/O脱氮工艺。现在也已开发出利用将氨的氧化控制在形成NO2为止，即只到亚硝化阶段，然后即进入反硝化阶段，以节省用于进一步硝化的通气（约25%）和碳源（约40%），减少成本支出。这一工艺称为短程脱氮工艺或简捷硝化-反硝化脱氮工艺。利用氨厌氧氧化脱氮的工艺也正日趋成熟，氨在有少量NO3存在并作为电子受体的条件下厌氧氧化为N2。

脱氮是先利用好氧段经硝化作用，由亚硝化细菌和硝化细菌的协同作用，将NH3转化为NO2～N和NO3～N。再利用缺氧段经反硝化细菌将NO2～N（经反亚硝化）和NO3～N（经反硝化）还原为氮气（N2），溢出水面释放到大气，参与自然界氮的循环。水中含氮物质大量减少，降低出水的潜在危险。

亚硝化细菌和硝化细菌的资源丰富，广泛分布在土壤、淡水、海水、味道不好的水和污水处理系统中。在自然界中，硝化细菌是好氧菌，然而，在氧分压极低的情况下污水处理系统和海洋沉淀物中也可分离出硝化细菌。在pH=4的土壤、温度低于-5 ℃和5 ℃的深海、温度达到60 ℃或更高的温泉及沙漠中都可分离到硝化细菌。

亚硝化细菌和硝化细菌是革兰氏阴性菌。其生长速率均受基质浓度（NH3和HNO2）、温度、pH、氧浓度控制。其全部是好氧菌，绝大多数营无机化能营养，有的可在含有酵母浸膏、蛋白胨、丙酮酸或乙酸的混合培养基中生长，不营异养。却有个别的可营有机化能营养。在污水处理系统和自然环境中，硝化细菌有附着在物体表面和在细胞束内生长的倾向，形成胞囊结构和菌胶团。

① 氧化氨的细菌：有好氧的和厌氧的两种。

1）好氧氨氧化细菌：好氧氨氧化细菌即好氧的亚硝化细菌，以NH3为供氢体，O2作为最终电子受体，产生HNO2。而其中的亚硝化叶菌属在低氧压下能生长，化能无机营养，氧化NH3为HNO2，从中获得能量供合成细胞和固定CO2。生长温度范围为2～30 ℃，最适温度为25～30 ℃。pH范围为5.8～8.5，最适pH为7.5～8.0。有的菌株能在混合培养基中生长，不营化能有机营养。其中的亚硝化单胞菌和亚硝化螺菌能利用尿素作基质。高的光强度和高氧浓度都会抑制生长。在最适条件下，亚硝化球菌属的代时为8～12 h，亚硝化螺菌属的代时为24 h。菌体内含淡黄至淡红的细胞色素。

2）厌氧氨氧化细菌：厌氧氨氧化细菌为厌氧的、以NH3为供氢体、以NO2或NO3为最终电子受体的一类氧化氨为N2的细菌。这一类细菌尚未见有纯培养的报道。

3）厌氧氨反硫化细菌：厌氧氨反硫化细菌是以NH3为供氢体，以SO4作最终电子受体的一类将氨氧化为N2的细菌。这一类细菌尚未见有纯培养的报道。

② 氧化亚硝酸细菌：即硝化细菌，多数氧化亚硝酸细菌在pH为7.5～8.0，最适温度25～30 ℃，亚硝酸浓度为2～30 mmol/L时化能无机营养生长最好。其代时随环境可变，由8 h到几天。硝化杆菌属既进行化能无机营养又可进行化能有机营养，以酵母浸膏和蛋白胨为氮源，以丙酮酸或乙酸为碳源。硝化杆菌属在营化能无机营养生长中，氧化NO2产生的能量仅有2%～11%用于细胞生长，氧化85～100 mol NO2用于固定1 mol CO2。在分批培养中，最大产量是4×107个（细胞）/mL。在进行化能无机营养时的生长速率比进行化能有机营养时快。硝化螺菌属则相反，在营化能无机营养时的生长速率比混合营养中慢，前者的代时为90 h，后者的代时为23 h。硝化杆菌属细胞内的贮存物有：羧酶体或叫羧化体、糖原、聚卢一羟基丁酸（PHB）、多聚磷酸盐，含淡黄至淡红的细胞色素。

① 反硝化细菌：反硝化细菌是所有能以NO3为最终电子受体、利用低分子有机物作供氢体、将NO3还原为N2的细菌总称。反硝化细菌种类很多，其中的假单胞菌属内能进行反硝化的种最多，如铜绿假单胞菌、荧光假单胞菌、施氏假单胞菌、门多萨假单胞菌、绿针假单胞菌、致金色假单胞菌。

在废水处理过程中发现另外一种反硝化菌，可以利用NO2作最终电子受体，利用低分子有机物作供氢体，将NO2还原为N2。

② 反硝化段运行操作：反硝化段运行操作关键指标有碳源（即电子供体或叫供氢体）、pH（由碱度控制）、最终电子受体NO3和NO2、温度和溶解氧等。