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生物脫氮
污水生物脫氮處理過程中氮的轉(zhuǎn)化主要包括氨化、硝化和反硝化作用，其中氨化可在好氧或厭氧條件下進行，硝化作用是在好氧條件下進行，反硝化作用在缺氧條件下進行。生物脫氮是含氮化合物經(jīng)過氨化、硝化、反硝化后，轉(zhuǎn)變?yōu)镹2而被去除的過程。
1、氨化反應(yīng)
微生物分解有機氮化合物產(chǎn)生氨的過程稱為氨化反應(yīng)，很多細菌、真菌和放線菌都能分解蛋白質(zhì)及其含氮衍生物，其中分解能力強、并釋放出氨的微生物稱為氨化微生物。在氨化微生物的作用下，有機氮化合物可以在好氧或厭氧條件下分解、轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，以氨基酸為例，加氧脫氨基反應(yīng)式為：
RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3
水解脫氨基反應(yīng)式為：
RCHNH2COOH+H2O→RCHOHCOOH+NH3
2、硝化反應(yīng)
在亞硝化菌和硝化菌的作用下，將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽的過程稱為硝化反應(yīng)。
3、反硝化反應(yīng)
反硝化反應(yīng)在缺氧條件下，NO2-和NO3-在反硝化菌的作用下被還原為氮氣的過程稱為反硝化反應(yīng)，目前公認的從硝酸鹽還原為氮氣的過程。
大多數(shù)反硝化細菌是異養(yǎng)型兼性厭氧細菌，在污水和污泥中，很多細菌均能進行反硝化作用，如無色桿菌屬、產(chǎn)氣桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、黃桿菌屬、變形桿菌屬、假單胞菌屬等。這些反硝化菌在反硝化過程中利用各種有機底質(zhì)（包括碳水化合物、有機酸類、醇類、烷烴類、苯酸鹽類和其他苯衍生物）作為電子供體，NO3-,作為電子受體，逐步還原NO3-至N2。
4.同化作用
生物處理過程中，污水中的一部分氮（氨氮或有機氮）被同化成微生物細胞的組成成分，并以剩余活性污泥的形式得以從污水中去除的過程，稱為同化作用。當進水氨氮濃度較低時，同化作用可能成為脫氮的主要途徑。
生物除磷
生物除磷最基本的原理即是在厭氧-好氧或厭氧-缺氧交替運行的系統(tǒng)中，利用聚磷微生物具有厭氧釋磷及好氧（或缺氧）超量吸磷的特性，使好氧或缺氧段中混合液磷的濃度大量降低，最終通過排放含有大量富磷污泥而達到從污水中除磷的目的。
生物除磷的機理目前尚未完全清楚，現(xiàn)普遍接受的有以下幾個方面的認識：
（1)生物除磷主要由一類統(tǒng)稱為聚磷菌的微生物完成，由于聚磷菌能在厭氧狀態(tài)下同化發(fā)酵產(chǎn)物，使得聚磷菌在生物除磷系統(tǒng)中具備了競爭的優(yōu)勢。先前的研究結(jié)果表明，不動桿菌純培養(yǎng)物中聚積的磷量占生物量的30%以上，是主要的除磷菌。近年來，陸續(xù)有文獻報道，不動桿菌并不是污水生物除磷處理系統(tǒng)中唯一的除磷菌。常在生物除磷系統(tǒng)中出現(xiàn)的其他細菌主要有假單胞菌屬、氣單胞菌屬、放線菌屬和諾卡氏菌屬等。
（2)在厭氧狀態(tài)下，兼性菌將溶解性有機物轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性脂肪酸（VFA)；聚磷菌把細胞內(nèi)聚磷水解為正磷酸鹽，并從中獲得能量，吸收污水中的易降解的COD(如VFA),同化成胞內(nèi)碳能源存貯物聚β-羥基丁酸（PHB)或聚β-羥基戊酸（PHV)等。
（3)在好氧或缺氧條件下，聚磷菌以分子氧或化合態(tài)氧作為電子受體，氧化代謝胞內(nèi)貯存物PHB或PHV等，并產(chǎn)生能量，過量地從污水中攝取磷酸鹽，能量以高能物質(zhì)ATP的形式存貯，其中一部分又轉(zhuǎn)化為聚磷，作為能量貯于胞內(nèi)，通過剩余污泥的排放實現(xiàn)高效生物除磷目的。
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