反硝化作用与反硝化菌KONODO

反硝化作用与反硝化菌2020

一、反硝化作用：

反硝化作用一般指在缺氧条件下，反硝化菌将（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。

在反硝化过程中，有机物作为电子供体，硝酸盐为电子受体，在电子传递过程中，有机物失去电子被氧化，硝酸盐得到电子被还原，实现在反硝化过程对硝态氮和COD的脱除。理论上，1g硝态氮的全程反硝化需要硝化2.86g有机碳源（以BOD计）。对生化处理中反硝化进水，可以考察其可生化性（BOD/COD）和含量（BOD/TN比例），以判断有机物碳源是否适宜并足够系统用于反硝化脱氮。

影响污水生物脱氮过程中反硝化作用的主要因素包括：溶解氧、pH值、温度、有机碳源的种类和浓度，以及水背景情况等。

一般认为，系统中溶解氧保持在0.15mg/L 以下时反硝化才能正常进行。反硝化作用最适宜的pH为6.5-7.5,反硝化作用也是产碱过程，可以在一定程度上对冲硝化作用中消耗的一部分碱度。理论上，全程硝化过程可产生3.57g碱度（以CaCO

3

计）。在温度方面，实际中反硝化一般应控制在15-30 ℃。

二、参与反硝化作用的细菌

反硝化菌主要参与硝态氮及亚硝态氮还原过程，是生化系统中硝酸盐氮去除的主要功能菌。参与反硝化作用的细菌主要有以下几类：

1、反硝化细菌(Denitrifying bacteria)

这是一类兼性厌氧微生物，当水环境中有分子态氧时，氧化分解有机物，利用分子态氧作为最终电子受体。当溶解氧(DO)低于0.15mg/L，即缺氧状态，反硝化细菌可用硝酸盐、氮化物等作为末端电子受体，以有机碳源为氢供体，将硝

酸盐还原为NO、N

2O或N

2

。反硝化作用既可脱除污水中的硝态氮（总氮也自然降

低），又可一定程度维持水环境pH稳定性，还可以降低COD。这类反硝化菌中，有的能还原硝酸盐和亚硝酸盐，有的只能将硝酸盐还原为亚硝酸盐。

2、好氧反硝化细菌

有些细菌能营有氧呼吸，同时实现反硝化作用。从污水中，最早分离的好氧

反硝化细菌是副球菌属的Paracoccus pantotrophus，该菌能在好氧情况下将

。其他已发现的好氧反硝化作用细菌，还有施氏假单硝态氮或亚硝态氮还原为N

2

O而不胞菌(Pseudomonas stutzer)等。大多数反硝化细菌在有氧条件下产生N

2。目前，关于好氧反硝化菌的研究也是环境微生物方面的热点之一。

是N

2

3、自养反硝化细菌

自养反硝化细菌也是较新的发现。某些自养细菌能够利用无机物在氧化过程中释放出来的能量将硝酸盐还原,实现反硝化作用,被称为自养反硝化细菌。其中比较受关注的是以硫为无机底物的自养反硝化菌，如脱氮硫杆菌( Thiobacillus denitrificans) 和反硝化硫微螺菌( Thiomicrospira denitrificans)。开展这类微生物的研究，对于低碳源废水处理，以及污泥减量方面，具有较大意义。

三、反硝化作用的多种类型

上述关于参与反硝化作用细菌的描述，也反映出反硝化作用存在多种类型，在此只是从便于表达的角度尝试一下分类，有机会再专门系统阐述。

1、自养反硝化与异养反硝化

从营养依赖和消耗的角度，有自养反硝化和异养反硝化之分。传统反硝化过程需要以有机物作为碳源和电子供体，这类反硝化细菌属于异养型细菌。在自养反硝化作用中，以无机物作为电子供体，将硝酸盐还原并从中获取化学能量并用于物质合成。

2、好氧反硝化与缺氧反硝化

传统生物脱氮理论中，反硝化作用在缺氧环境中进行。近年来，不断发现在好氧环境下具有还原硝态氮能力的菌株，能够实现好氧反硝化作用，这些菌株能在好氧条件下同步去除硝酸盐与有机物，并可通过同化或异养硝化作用去除氨氮。目前，关于好氧反硝化机理和理论仍在探索中。同时，一个有趣的问题是，好氧条件如何准确界定？

3、全程反硝化与短程反硝化

传统生物脱氮中反硝化作用，一般指包括从硝酸盐到氮气的全程反硝化过程；所谓短程反硝化，看作全程反硝化作用中的某一段。相较于全程反硝化，短程反

硝化所需要的电子供体更少，也必然会减少碳源消耗。目前，在面对大量的C/N 比失调废水，尤其是低C/N比废水，短程反硝化作用，优势明显。这类研究，大多集中在两个方面，一是与厌氧氨氧化偶联，通过控制硝态氮还原至亚硝态氮水平，为厌氧氨氧化提供亚硝酸盐来源；二是与短程硝化偶联，将短程硝化产生的亚硝酸盐还原至氮气实现短程硝化反硝化。

四、污水处理实践中的反硝化作用

1、关于反硝化处理中的C/N比

理论上，污水中含碳有机物为反硝化反应过程提供电子，每转化1gNO

2-为N

2

时，消耗碳源1.71g（以BOD表示）；每转化1gNO

3-为N

2

时，消耗碳源2.86g（以

BOD计），同时产生3.57g碱度（以CaCO3计）。Kuba 等研究发现，当生物脱氮系统的废水C/N 比低于3.4 时，反硝化菌的生长会因碳源不足受到抑制。Obaja 等研究认为，C/N 比在6-8之间更有利于反硝化过程的进行。

实际处理废水毕竟不同于实验研究条件下的模拟或验证，反硝化的结果也不

完全是全部转化为N

2，至少还有同化作用的利用，以及转化为N

2

O等其它形式气

体的情况存在。一般情况下,当污水中的C/N 值> 3-5 时，可认为碳源是充足的，不需要补充外加碳源，当然这与生物脱氮的工艺条件、废水背景等密切相关。2、关于影响反硝化作用的因素

影响反硝化作用的因素很多，如污水背景、生物脱氮工艺和菌群结构等有关，基本原则还是具体问题具体分析。比如，一般认为，反硝化菌比硝化菌对有毒物质的耐受性强很多，但工业废水中还是常常会遇到硝化作用良好，而反硝化作用效果很差的情况。其实，这与污水中的抑制物直接相关，即环境因素是影响微生物菌群结构的主要因素。

某农药中间体生产企业，其废水处理中，硝化作用建立以后，反硝化处理环节一直不理想。我们承接其生化系统优化和强化服务业务后，对其水背景进行分析、对生化系统进行诊断，采取生化方法消除抑制物的影响，成功实现生化系统的高效脱氮。