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廢水中的氮常以合氮有機物、氨、硝酸鹽及亞硝酸鹽等形式存在。生物處理把大多數有機氮轉化為氨，然后可進一步轉化為硝酸鹽。
硝化與反硝化
（一）硝化
在好氧條件下，通過亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌的作用，將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的過程，稱為生物硝化作用。
反應過程如下：
亞硝酸鹽菌（8-36h）
NH4++3/2O2→NO2-+2H++H2O-△E E=278。42KJ
第二步亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽：
酸鹽菌（12-59h）
NO-+1/2O2→NO3--△E△E=278。42KJ
這兩個反應式都是釋放能量的過程，氨氮轉化為硝態氮并不是去除氮而是減少它的需氧量。上訴兩式合起來寫成：
NH4++2O2→NO3-+2H++H2O-△E△E=351KJ
綜合氨氧化和細胞體合成反應方程式如下：
NH4++1。83O2+1。98HCO3-→0。02C5H7O2N+0。98 NO3-+1。04 H2O+1。88H2CO3
由上式可知：（1）在硝化過程中，1g氨氮轉化為硝酸鹽氮時需氧4。57g；（2）硝化過程中釋放出H+，將消耗廢水中的堿度，每氧化lg氨氮，將消耗堿度（以CaCO3計）7。lg。
（3）水中BOD不宜過高，20mg/L以下，否則會使增值速率較大的異氧細菌迅速增殖，使自養型的硝化細菌受到排擠，難以形成優勢菌種，使硝化反應難以進行。
影響硝化過程的主要因素有：
（1）pH值當pH值為8。0～8。4時（20℃），硝化作用速度最快。
由于硝化過程中pH將下降，當廢水堿度不足時，即需投加石灰，維持pH值在7。5以上；
（2）溫度溫度高時，硝化速度快。亞硝酸鹽菌的最適宜水溫為35℃，在15℃以下其活性急劇降低，故水溫以不低于15℃為宜；
（3）污泥停留時間硝化菌的增殖速度很小，其最大比生長速率為=0。3～0。5d-1（溫度20℃，pH8。0～8。4）。為了維持池內一定量的硝化菌群，污泥停留時間必須大于硝化菌的最小世代時間。在實際運行中，一般應取〉2d；
（4）溶解氧氧是生物硝化作用中的電子受體，其濃度太低將不利于硝化反應的進行。一般，在活性污泥法曝氣池中進行硝化，溶解氧應保持在2～3mg/L以上；
（5）BOD負荷硝化菌是一類自養型菌，而BOD氧化菌是異養型菌。若BOD5負荷過高，會使生長速率較高的異養型菌迅速繁殖，從而使自養型的硝化菌得不到優勢，結果降低了硝化速率。所以為要充分進行硝化，BOD5負荷應維持在0。3kg（BOD5）/kg（SS）。d以下。
（二）反硝化
在缺氧條件下，由于兼性脫氮菌（反硝化菌）的作用，將NO2--N和NO3--N還原成N2的過程，稱為反硝化。反硝化過程中的電子供體（氫供體）是各種各樣的有機底物（碳源）。以甲醇作碳源為例，其反應式為：
6NO3-十2CH3OH→6NO2-十2CO2十4H2O
6NO2-十3CH3OH→3N2十3CO2十3H2O十60H-
綜合反應式為：
6NO3-+5CH3OH→5CO2+3N2+7H2O+6OH-
由上可見，在生物反硝化過程中，不僅可使NO2--N、NO3--N被還原，而且還可使有機物氧化分解。
1mg的硝酸鹽氮理論消耗2。87mg的BOD5，一般4mg的BOD5即可滿足反硝化的需求
影響反硝化的主要因素：
（1）溫度溫度對反硝化的影響比對其它廢水生物處理過程要大些。一般，以維持20～40℃為宜。苦在氣溫過低的冬季，可采取增加污泥停留時間、降低負荷等措施，以保持良好的反硝化效果；
（2）pH值反硝化過程的pH值控制在7。0～8。0；
（3）溶解氧氧對反硝化脫氮有抑制作用。一般在反硝化反應器內溶解氧應控制在0。5mg/L以下（活性污泥法）或1mg/L以下（生物膜法）；
（4）有機碳源當廢水中含足夠的有機碳源，BOD5/TKN〉（3～5）時，可無需外加碳源。當廢水所含的碳、氮比低于這個比值時，就需另外投加有機碳。外加有機碳多采用甲醇。考慮到甲醇對溶解氧的額外消耗，甲醇投量一般為NO3--N的3倍。此外，還可利用微生物死亡；自溶后釋放出來的那部分有機碳，即“內碳源”，但這要求污泥停留時間長或負荷率低，使微生物處于生長曲線的靜止期或衰亡期，因此池容相應增大。
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