好氧硝化过程生化机理及影响因素

蔡 庆

（重庆工程职业技术学院矿业与环境工程学院，中国 重庆 402260）

在传统的废水生物脱氮处理中，好氧硝化过程将废水中的铵盐转化为硝酸盐，为反硝化过程提供电子受体，是生物脱氮不可或缺的重要步骤。好氧硝化过程分两步进行：首先由好氧氨氧化菌将NH4+氧化为NO2-，然后在亚硝酸氧化菌的作用下将NO2-氧化为NO3-。本文将着重介绍好氧硝化过程的主要功能微生物、生化机理及其影响因素。

1 好氧硝化过程功能微生物

好氧氨氧化菌是革兰氏阴性专性化能无机自养菌[1]，以CO2为碳源，从氨氮氧化中获取能量生长。伯杰氏细菌手册将好氧氨氧化细菌（AOB）归为硝化杆菌科 （Nitrobacteriaceae），划分为5个属：亚硝化球菌属（Nitrosococcus）、亚硝化叶菌属（Nitrosolobus）、亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌属（Nitrosospira）、亚硝化弧菌属（Nitrovibrio）。AOB从氨的氧化中获取能量，靠固定无机CO2满足生长所需碳源，常见于土壤、淡水和海水。从系统发育树上AOB可分为两类，一类为Proteobacteria科γ亚纲，仅有一个属（Nitrosococcus），其代表为Koops和Pommerening-Roser发现的两种海洋种[2]；另一类为Proteobacteria科β亚纲，包括nitrosolobus属，Nitrosospira属，Nitrosovibrio属和Nitrosomonas属。

亚硝酸氧化菌和氨氧化菌的生理特性大致相似，但两类菌群间并不存在亲缘关系。亚硝酸盐氧化菌（NOB）为革兰氏阴性专性化能无机自养菌， 划分为 4 个属：Nitrobacter、Nitrococcus、Nitrospina 和 Nitrospira，其中Nitrobacter属于Proteobacteria科α亚纲[3]。NOB自养生长时，以亚硝酸盐为电子供体，氧气为电子受体，CO2为碳源，进行代谢[4]。

2 硝化过程生化反应机理

好氧氨氧化过程相继经历NH3氧化成NH2OH和NH2OH氧化成NO2-两个步骤，氨单加氧酶（AMO）和羟胺氧还酶（HAO）分别是这两个反应的催化酶，好氧氨氧化反应方程式如下[5]：

由（1）-（3）得到氨氧化总反应：

好氧氨氧化菌的代谢过程包括合成代谢和分解代谢，以C5H7NO2为细菌的经验分子式，包含无机碳源固定过程的氨氧化细菌细胞反应计量学方程式可表达为：

氨氧化过程的生化反应机理与电子传输途径见图1。在氨氧化过程中以氨为电子供体，分子氧为电子受体进行反应；氨氧化过程释放4个电子，其中的2个传递给AMO，另外2个进入呼吸链，在C552、C554、P460等细胞色素中传递，这2个电子最后可能经C552传递给aa3细胞色素氧化酶，以氧为最终电子受体；也可能传递给亚硝酸还原酶，以亚硝酸为最终电子受体。

亚硝酸盐氧化为硝酸盐是一步完成的，硝酸盐中的氧原子来自水，亚硝酸盐氧还酶（NOR）起主导作用。

其总反应式可表示为：｝

3 硝化过程影响因素

在传统生物脱氮运行条件下，污泥中好氧氨氧化菌与硝酸菌以及反硝化菌处于共生状态，好氧氨氧化菌生成的NO2--N被亚硝酸氧化菌或反硝化菌利用，NO2--N不易积累，极易氧化成NO3--N[6]。游离氨（FA）、游离亚硝酸（FNA）、溶解氧（DO）、温度、碱度均会对微生物活性产生影响，微生物的生长速率可用包含细菌衰减速率的Monod方程描述：

其中，μ 为生长速率（/d）；μmax为最大比增长速率（/d）；Ks为半饱和系数（g/L）；Cs为受限基质浓度（g/L）；b 为衰减系数（g/g/d）。

游离氨（FA）和游离亚硝酸（FNA）对氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌都有抑制作用，但亚硝酸盐氧化菌对FA和FNA更为敏感。Anthonisen等人[7]建议使用方程10和11来估算FA和FNA的浓度。游离氨对亚硝酸盐氧化菌细胞膜内中亚硝酸盐氧化还原酶的活动有很强的抑制作用，当FA质量浓度为2mg/L时，对亚硝酸盐氧化反应的抑制率达到90%[8]，较低浓度FA就可以使亚硝酸盐氧化菌的活性受到严重损害，但氨氧化菌对FA的承受能力大得多；普遍认为游离亚硝酸（FNA）对生物有毒，FNA浓度为0.4mg/L时，AOB生物合成活性完全受阻。

硝化细菌在4℃左右开始具有活性，其比生长速率随着温度的升高逐渐变大，到35-40℃达到最大，温度超过40℃比生长速率急剧下降。常温下污水处理厂实际运行过程中极少出现亚硝酸盐的积累，这是由于NOB在10-20℃范围内具有更高的生长速率，25℃以上的AOB的生长速率将超过NOB。

AOB具有较低的氧亲和系数，AOB对氧的亲和力比NOB高，因此较低的DO有利于抑制亚硝酸盐氧化菌的生长。一般认为发生亚硝酸积累的最佳溶解氧因此浓度为1.0-1.5mg/L，最大溶解氧浓度不应超过2.5-3 mg/L。Ruiz等人[9]认为溶解氧浓度在1.4mgO2/L，亚硝酸积累开始发生并随着DO浓度的减少而增加，最大的亚硝酸积累发生在0.7 mgO2/L。Blackburne等人[10]在一个连续运行的反应器中，控制DO为0.4mg/L，在室内环境温度下（温度19-23℃），利用氨氧化菌更高的氧亲合力，富集氨氧化菌和淘洗去除亚硝酸氧化菌，实现了90%的亚硝酸盐积累。

传统的硝化-反硝化过程中，碱度与氮去除直接相关，硝化过程氮氧化消耗的碱度为7.14g/gNoxidized，反硝化过程中形成的碱度为3.57g/gNreduced。Guisasola等人[11]利用呼吸测量和滴定测量技术研究了无机碳源（inorganic carbon,IC）受限对AOB的影响，结果表明AOB的活性在IC浓度低于36mgC/L时受到限制，而当IC浓度低至1.2mgC/L时，NOB都不会受到影响。

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[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.