好氧硝化過程生化機理及影響因素

蔡 慶

（重慶工程職業技術學院礦業與環境工程學院，中國 重慶 402260）

在傳統的廢水生物脫氮處理中，好氧硝化過程將廢水中的銨鹽轉化為硝酸鹽，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菌[1]，以CO2為碳源，從氨氮氧化中獲取能量生長。伯杰氏細菌手冊將好氧氨氧化細菌（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。從系統發育樹上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發現的兩種海洋種[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系。亞硝酸鹽氧化菌（NOB）為革蘭氏陰性專性化能無機自養菌， 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 硝化過程生化反應機理

好氧氨氧化過程相繼經歷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）分別是這兩個反應的催化酶，好氧氨氧化反應方程式如下[5]：

由（1）-（3）得到氨氧化總反應：

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

氨氧化過程的生化反應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；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等細胞色素中傳遞，這2個電子最后可能經C552傳遞給aa3細胞色素氧化酶，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）起主導作用。

其總反應式可表示為：｝

3 硝化過程影響因素

在傳統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，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生影響，微生物的生長速率可用包含細菌衰減速率的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（g/L）；Cs為受限基質濃度（g/L）；b 為衰減系數（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胞膜內中亞硝酸鹽氧化還原酶的活動有很強的抑制作用，當FA質量濃度為2mg/L時，對亞硝酸鹽氧化反應的抑制率達到90%[8]，較低濃度FA就可以使亞硝酸鹽氧化菌的活性受到嚴重損害，但氨氧化菌對FA的承受能力大得多；普遍認為游離亞硝酸（FNA）對生物有毒，FNA濃度為0.4mg/L時，AOB生物合成活性完全受阻。

硝化細菌在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亞硝酸鹽的積累，這是由于NOB在10-20℃范圍內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，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。一般認為發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超過2.5-3 mg/L。Ruiz等人[9]認為溶解氧濃度在1.4mgO2/L，亞硝酸積累開始發生并隨著DO濃度的減少而增加，最大的亞硝酸積累發生在0.7 mgO2/L。Blackburne等人[10]在一個連續運行的反應器中，控制DO為0.4mg/L，在室內環境溫度下（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，實現了90%的亞硝酸鹽積累。

傳統的硝化-反硝化過程中，堿度與氮去除直接相關，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研究了無機碳源（inorganic carbon,IC）受限對AOB的影響，結果表明AOB的活性在IC濃度低于36mgC/L時受到限制，而當IC濃度低至1.2mgC/L時，NOB都不會受到影響。

[1]Philips S.,Laanbroek H.J.,and Verstraete W.,Origin,causes and effects of increased nitrite concentrations in aquatic environments [J].Reviews in environmental science and biotechnology,2002，1(2):115-141.

[2]Koops H.P.and Pommerening-R?ser A.,Distribution and ecophysiology of the nitrifying bacteria emphasizing cultured species[J].FEMS Microbiology Ecology,2006，37(1):1-9.

[3]Sorokin D.Y.,Muyzer G.,Brinkhoff T.,Gijs Kuenen J.,and Jetten M.S.M.,Isolation and characterization of a novel facultatively alkaliphilic Nitrobacterspecies,N.alkalicus sp.nov[J].Archives of Microbiology,1998，170(5):345-352.

[4]任宏洋.好氧厭氧氨氧化耦合顆粒污泥完全自營養脫氮機理與模擬優化[J].重慶大學，2008.

[5]祖波,張代鈞,周富春,等.強化廢水生物脫氮新技術[M].北京：中國環境科學出版社，2009.

[6]Chandran K.and Smets B.F.,Single-step nitrification models erroneously describe batch ammonia oxidation profiles when nitrite oxidation becomes rate limiting[J].Biotechnology and Bioengineering,2000，68(4):396-406.

[7]Anthonisen A.,Loehr R.,Prakasam T.,and Srinath E.,Inhibition of nitrification by ammonia and nitrous acid[J].Journal Water Pollution Control Federation,1976，48(5):835-852.

[8]Balmelle B.,Nguyen K.,Capdeville B.,Cornier J.,and Deguin A.,Study of factors controlling nitrite build-up in biological processes for water nitrification[J].Water Science and Technology,1992，26(5-6):1017-1025.

[9]Ruiz G.,Jeison D.,and Chamy R.,Nitrification with high nitrite accumulation for the treatment of wastewater with high ammonia concentration[J].Water Research,2003，37(6):1371-1377.

[10]Blackburne R.,Yuan Z.,and Keller J.,Partial nitrification to nitrite using low dissolved oxygen concentration as the main selection factor[J].Biodegradation,2008，19(2):303-312.

[11]Guisasola A.,Petzet S.,Baeza J.A.,Carrera J.,and Lafuente J.,Inorganic carbon limitations on nitrification:Experimental assessment and modelling[J].Water Research,2007，41(2):277-286.