硝化细菌的种类
硝化细菌的种类：硝化作用是一个序列反应，先由一类细菌把 氨氧化成亚硝酸盐，再由另一类细菌把亚硝酸盐氧化成硝酸盐。 一般把参与硝化作用的细菌统称为硝化细菌；根据基质，硝化 细菌分为氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria )和亚硝酸盐 氧化细菌（nitrite-oxidizing bacteria);根据产物，硝化细菌分为 亚硝酸细菌和硝酸细菌。
硝化工艺
硝化工艺是通过工程措施，利用自养性硝化细菌的作用，将 废水中的氨氧化为硝酸盐的处理方法。它诞生于20世纪中 叶。 根据除碳（COD去除）与硝化（氨氧化）的关系，硝化工艺 可分为单级处理系统和多级处理系统。 根据反应器内硝化细菌的存在状态，又可分为悬浮生长系统 （活性污泥法）和附着生长系统（生物膜法）。
硝化作用原理
通常，把氨氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的生物反应称为生物硝 化作用，简称为硝化作用（nitrification）;把能够进行硝化作 用的细菌称为硝化细菌（nitrifying bacteria)。从微生物学的 角度看，氨是硝化细菌的营养物质（电子供体），亚硝酸盐 或硝酸盐是硝化细菌的代谢产物，氧（电子受体）是硝化细 菌必需的环境条件。如果营养物质或环境条件不能满足要求， 它们就不能进行正常代谢，也不能生长繁殖，硝化作用也将 随生命的结束而终止。
硝化中微生物的种类及作用
研究证明，在废水处理中进行硝化作用的微生物主要 是自养性细菌；进行有机物氧化作用的微生物则主要 是异养型细菌。前者分别利用氨氮和CO2作为能源和碳 源，同化有机物的能力很弱；而后者以有机物为能源 和碳源，依赖有机物生长。当环境中存在有机物时， 自养型硝化细菌对氧和营养物质的竞争能力明显弱于 异养型细菌，其生长很容易被异养型细菌超过，并因 此而难以在硝化中发挥作用。
单级硝化系统
在单级硝化系统中，有机物的去除与氨的氧化被放置 于同一个反应器内进行。其工艺流程类似于一般废水 好氧生物处理的工艺流程（见下图)。与普通废水好氧 处理相比，单级硝化系统的负荷较低，水力停留时间 较长。
进水
曝气池 除碳+硝化
沉淀池
出水
剩余污泥
多级硝化系统
为了消除有机物带来的不利影响，工程上常将废水的除碳和 硝化分置于两个独立的反应器中进行，采用二级或多级处理 系统（见下图)。在多级处理系统中，由于除碳和硝化被放置 于不同的反应器中进行，因此可分别优化，运行的效率和稳 定性均可提高。
主要内容

氮素污染的危害 氮素污染的控制 生物脱氮理论及其进展 生物脱氮新工艺
氮素污染的最大危害
刺激地表水中植物和藻类的过度生长：植物和藻类 的生长离不开营养物质。在自然水体中，它们的生 长通常受氮和磷的限制。由于水生植物所需的N/P为 4-10（质量比），而寡营养型湖泊的N/P大于10，因 此磷的限制作用更大。但如果城市生活污水排入水 体中，由于污水的N/P为3[氮磷含量分别为30mg/l （以氮计）和10mg/l(以磷计）]，湖泊的N/P降低， 氮和磷的限制作用发生逆转。
氨和亚硝酸盐是低级能源
与硫化氢、甲烷的氧化反应相比，氨和亚硝酸盐氧化所释 放的自由能小。生物细胞不能直接利用化学反应所释放的 自由能，只能利用以ATP等形态保存的能量。在好氧代谢中， ATP主要通过呼吸链的氧化磷酸化作用合成。前两者的标准 电极电位低于呼吸链上大多数电子载体的电极电位，他们 所释放的电子可从前端进入呼吸链，合成ATP的效率较高。 而后两者的标准电极电位高于呼吸链前端的电子载体，它 们所释放的电子只能从中后部进入呼吸链，合成ATP的效率 较低。如果改变基质的利用方式。把氨氧化成氮气，则能 量利用率大幅度提高。而这一反应的标准电极电位低于氨 和亚硝酸盐的，合成ATP的效率也将显著提高。
值得深思的是:
？硝化基质（氨）本身含能不高，一种细菌独有已显欠
缺，他却让两种细菌（亚硝酸菌和硝酸菌）分享；
？？氨氧化成氮气可比氧化成硝酸盐释放更多的自由
能，硝化细菌却偏偏要将氨氧化成硝酸盐。
硝化细菌对能源变化的适应性
在自然界中，氨浓度通常很低，且供应极不稳定。经过长期进 化，亚硝酸盐细菌对氨浓度变化具有很强的适应能力。研究发 现，有些硝化细菌分别可在氨饥饿的条件下存活25周和一年。 在实验室培养中，大多数亚硝酸菌的最适氨浓度为2-10mmol/l, 也有少数亚硝酸菌能够耐受600-800mmol/l的氨浓度。在自然 界，亚硝酸盐浓度超过0.07mmol/l的生境十分罕见，因此大多 数硝酸细菌对高浓度（≥1mmol/l)亚硝酸盐反应敏感。刚从自 然生境中分离出来时，硝酸细菌对亚硝酸盐的耐受能力较弱； 经过实验室传代，耐受能力明显增强。在实验室培养中，大多 数硝酸细菌的最适亚硝酸盐浓度为2-3mmol/l。
氮素污染的物理化学方法控制
因为氮素污染的种种危害，氮素污染控制得到了社会各界 的重视。在废水脱氮技术的研究开发和应用中，涌现了一 大批行之有效的处理工艺，构成了废水脱氮的技术体系。 这些废水脱氮技术可区分为物化法和生物法两大类。物化 法主要有空气吹脱法、选择性离子交换法、折点氯化法、 磷酸铵镁沉淀法等。下面主要介绍一下磷酸铵镁沉淀法， 因其在垃圾渗滤液生化处理中常作为预处理或后续处理， 以使出水达标。
生物脱氮工艺及其变法
由于物理化学脱氮法存在着成本高，对环境有影响以及 再生方法还未完善等问题，而生物脱氮技术相对来讲避 免了这些问题，因此后者是目前应用最广的废水脱氮技 术。 生物法通常是由硝化工艺（nitrification process)和反硝化 工艺(denitrification process)组成。
藻类过度生长的具体危害
①水生植物和藻类大量繁殖，覆盖水面，影响景观； ②藻类密度过高，阻塞鱼腮和贝类水孔，影响呼吸作用； ③藻类产生毒素，可引起鱼、贝中毒； ④藻类产生气味物质，使水体散发异常气味，如土腥味、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 腐味、鱼腥味等。 ⑤如果以富营养化水体为水源，藻类可堵塞滤池而影响水厂 生产；所含的毒素和气味物质则影响饮用水的质量。进入水 体，可引起水体富营养化,造成水生植物和藻类过度生长，并 由此衍生出一系列不良的后果。
氮素污染的其他危害（1）
通过硝化作用引起水体缺氧：氨是硝化细菌的能源，硝化作用 会消耗大量氧气。由于氨氮的理论需氧量为4.6mg/mg (O2/NH4+),在二级处理出水中，氮需氧量（nitrogenous oxygen demand, NOD)占总需氧量（total oxygen demand, TOD)的比例可 高达71.3%。假如水体没有足够的稀释能力，二级处理出水排入 水体后，氨氮将耗尽溶解氧。
磷酸铵镁沉淀
磷酸铵镁沉淀法（magnesium ammonium phosphate precipitation）是向废水中投加磷酸盐和氧化镁，使氨 形成MgNH4PO4沉淀而被去除的废水脱氮技术。形成磷酸 铵镁的化学反应为：
6H Mg2++PO43-+NH4+ → MgNH4PO4· 20 ↓
磷酸铵镁（MAP）为碱式盐，在酸性条件下易溶解，沉淀 反应最好在较高的pH下进行。但若pH超过9.5，产生的 MAP会释放 刺鼻的氨味。在氨沉淀中，理想的投加比例是 Mg:P:N=1.3:1:1
除碳、硝化和反硝化
③组合除碳、硝化、反硝化工艺
硝化作用
长期以来，认为亚硝酸细菌和硝酸细菌的亲缘关系很近；在分 子生物学上，把它们归入硝化细菌科。近年来，引进分子生物 学技术，以16SrRNA序列为基础，对硝化细菌进行了全面的谱 系分析，发现两个菌群的亲缘关系相距很远；并重建了硝化细 菌的分类系统，为两者的鉴定铺平了道路。一般认为，在亚硝 酸细菌的自养代谢中，氧分子直接参与氨的氧化。但最近研究 发现，氨的直接氧化剂并不是氧而是N2O4，后者与氨反应形成 羟胺并释放出NO,氧参与了NO到NO2的转化。进一步研究发现， 只要存在NO2,亚硝酸细菌即能进行氨氧化作用，不论是好氧 氨氧化，还是厌氧氨氧化。
硝化细菌的营养物质
硝化细菌的营养物质：硝化细菌是由多种化学元素组 成，含有这些元素的所有物质就是它们的营养物质 （nutrient)。硝化细菌的营养物质可区分为能源、碳 源、无机盐（大量元素和微量元素）等。以下重点讲 一下硝化细菌的能源。 能源是微生物的重要营养物质，也是微生物营养类型的 主要划分依据，微生物被划分为光能营养型 （phototroph,利用光能）和化能营养型（chemotroph,利 用化学能）。硝化细菌是化能营养型细菌，其能源是氨 和亚硝酸盐。
硝化工艺与反硝化工艺的联合
硝化工艺虽能把氨转化为硝酸盐，消除氨的不良影响。 反之，反硝化工艺虽能根除氮素对环境的污染，但不能 直接去除氨氮。因此在环境工程上，硝化工艺与反硝化 工艺常常联合应用。三种常用的生物脱氮工艺流程为
除碳
硝化
反硝化
①分级除碳、硝化、反硝化
除碳和硝化 反硝化
②组合除碳和硝化，分级反硝化工艺
氮素污染的其他危害（3）
硝酸盐影响人类健康：硝酸盐和亚硝酸盐之所以受到 公共卫生的高度关注，是因为它们能诱发高铁血红蛋 白血症和胃癌。高铁血红蛋白血证主要发生与婴儿人 群中，患者皮肤呈淡蓝色，因此被称为“蓝儿（blue babies)症”。婴儿吸入含有硝酸盐的饮品后，会在胃 和唾液中还原成亚硝酸盐，并与血红蛋白反应生成高 铁血红蛋白。见下式：
反硝化中微生物类型及作用
从微生物学角度看，一方面，反硝化细菌多为兼性厌氧 细菌，只有在氧受限制时才能进行脱氮作用，要使反硝 化过程顺利进行，必须防止氧的干扰；另一方面，反硝 化细菌主要是异养型细菌，有机物是它们不可缺少的能 源和碳源，要使反硝化反应顺利进行，必须为反硝化细 菌提供合适的电子供体。根据有机物的来源，反硝化工 艺还可区分为内碳源反硝化和外碳源反硝化系统。前者 利用废水中的有机物作为碳源进行反硝化作用；后者则 通过外加有机物（如甲醇）进行反硝化作用。
表一
硝化处理对二级出水总需氧量的影响