2020年(生物科技行业)生物脱氮过程中氮的转化途径的初探

（生物科技行业）生物脱氮过程中氮的转化途径的初

探

生物脱氮过程中氮的转化途径的初探

摘要近些年来，出现了壹些新的脱氮的工艺，对生物脱氮的原理的研究也进壹步深入，这使脱氮的理论不断地得到发展和完善。本文结合实验室小型SBR试验的结果，围绕脱氮过程中N2O的产生中对脱氮途径进行了介绍，其目的在于使人们对这些不同的途径有更深的认识。其中很有必要的壹项工作便是对这些脱氮途径作出了明确的定义，且将它们进行了区分。最后对壹些尚未能解释的问题以及壹些假设作了讨论。

1．简介

对氮元素转化途径的研究起源于农业中对氮肥在土壤中的转化的探讨。土壤系统中氮元素总的输入和输出的不平衡使科学家们困惑了50多年（e.g.Allison,1995），同样的情况也出当下许多水处理的脱氮工艺中，这使得人们对氮元素其它转化途径的研究产生了兴趣。最初人们对生物脱氮的认识是NH3或NH4＋在微生物的作用下转化为NO2-以及NO3-，后俩者再转化为N2而达到氮的去除，当下见来这种认识是比较粗略的。

对脱氮其它途径的研究实际上能够归结为对脱氮过程中间产物以及他们产生的环境条件和微生物机理的研究。这些中间产物包括NO、N2O以及N2。N2O是壹种对环境影响极大的温室气体，它的主要去向是在大气的同温层中原子态的氧反应生成NO，NO对臭氧层会造成破坏（Bliefert,1994）。这就使得许多水处理工艺虽然实现了水体中脱氮但却有可能对大气造成影响。

2．实验结果的分析

实验室中SBR反应器是壹个有效容积为4L的有机玻璃柱，每个周期10.5小时，实验工序为：进水→厌氧搅拌3hr→曝气8hr→厌氧搅拌1.5hr→沉淀1hr→排水，每个周期排水2L进水2L，曝气阶段溶解氧控制在2.5～3.0mg/L。在通过对照试验基本排除了游离氨被吹脱的可能之后，采用试验进水CODcr为720mg/L,NH4＋-N为110mg/L，在系统稳定运行之后对壹周期各阶段内水相中各种氮化合物的浓度进行跟踪试验。实验期间每间隔1hr测定

壹次数据。根据这些数据绘成图1。

图1中，在前2个小时的缺氧搅拌中（即0～2hr）NO X--N有明显下降，但NH4+-N 基本没有变化，说明本系统中未发生厌氧氨氧化过程而是硝酸盐缺氧反硝化的结果。在运行周期的第2～8小时的曝气状态下，NH4＋-N浓度迅速下降，由58.8mg/L降为0.1mg/L，这主要是好氧硝化的结果。8小时曝气之后的缺氧阶段，NO3--N和NO2--N也有比较明显的减少，说明再次发生缺氧反硝化。当然，在这三个阶段中其它途径对脱氮所作的贡献将在下文结合对各种途径的介绍作进壹步的阐述。

图1运行过程中各种形态的氮的变化情况

而在整个周期中TN从59.9mg/L降为8.5mg/L，好氧反应期间各种含氮化合物的化学衡量计算得到：氨氮经硝态氮（包括硝基氮和亚硝基氮）脱氮途径所得脱氮量仅占同期脱氮总量的46.5%，在扣除生化合成反应所需氮素之外，尚有50%左右的氮在硝化之前便已去向不明,对此唯壹的解释是在此过程中产物以气态形式进入周围的空气中。由于衡算过程比较复杂，不作详细介绍。

3.硝化

3.1自养型硝化

硝化是指NH3或NH4＋经由NO2-被氧化为NO3-的过程。硝化过程通常是由自养或兼性微生物完成的（Laanbroek等1994）。这些微生物可分为俩类，第壹类微生物将NH3或NH4＋氧化为NO2-，被称为初级硝化菌，典型的如Nitrosomonaseuropaea；第二类微生物将氧化为NO3-，被称为次级硝化菌，典型的如Nitrobacterwinogradskyi （Macdonald,1986;Klemedtssonetal.,1999）。通常利用基因探测针的方法能够对活性污泥中参和硝化的微生物进行分析和检测（Wagner等1996）。需要强调的是目前仍尚未发现壹种单壹的微生物能将NH3或NH4＋直接氧化为NO3-。

硝化过程会产生壹些中间产物。第壹个NH3被氧化中间产物是NH2OH，这个反应的催化剂是氨单壹氧酶（Wood,1986）。氨单壹氧酶的催化作用会受到壹些底物的限制，这些底物通过共价键将酶结合到其活性区域从而会抑制酶对NH3的催化氧化功能。比如说C2H2会被转化为壹种具有电抗性的不饱和环状化合物，这种化合物能通过共价键抑制氨单壹氧酶的活性（McCarty,1999）。C2H2在浓度为0.1到10Pa的范围内会抑制NH3的氧化（Bergetal.,1982）。CH3F是氨单壹氧酶的另壹种抑制剂(Hymanetal.,1994)。但和C2H2相比它的优点是在较高浓度下（10kPa）不会影响反硝化过程(OremlandandCulbertson,1992)。

第二步NH3的氧化过程是NH2OH转化为NO2−，这壹反应的催化剂是羟基氧化仍原酶（McCarty,1999），而联氨对这类酶有抑制（NicholasandJones,1960）。

NO2−氧化为NO3-的酶是亚硝酸盐氧化仍原酶（Bocketal.,1986）。氯酸盐是这壹反应的催化剂（BelserandMays,1980）。另外，浓度过高的NH3会对硝化细菌产生毒性。有文献称：每1g干的Nitrosomonassp.的生成需要消耗30gNH3（Schlegel,1992）。因而，就算在硝化细菌数量且不多的环境中，它在氮的转化方面的作用是很大的。无论是最终产物NO3−仍是壹些中间产物都会大量产生，然而后者在工艺过程中且不会产生积累。

N2O的产生来源于价态介于NH4＋和NO2-之间的NH3的氧化物的化学分解作用，例如NH2OH或NO2−本身。也有证据表明NH2OH或NH3的不完全的氧化形式能导致N2O的产生（HooperandTerry,1979）。因而，NH3氧化为NO2-的过程可能是产生N2O的壹个源头。不仅如此，通过其产物NO2-和NO3-硝化和反硝化结合了起来，后者是N2O产生的另壹个显著的过程，将在下面的文章中对其进行更深入的阐述。

3.2非自养型硝化

和自养型硝化细菌利用硝化作用作为能量来源合成CO2不同，非自养型硝化细菌利用有