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反硝化
用于污水處理等的生物除氮方法
基本信息
| 中文名 | 反硝化 |
| 別名 | 脫氮作用 |
| 外文名 | Denitrification |
| 作用菌種 | 反硝化菌 |
| 影響因素 | 溶解氧、溫度、pH值、碳源等 |
| 作用 | 碳循環(huán)重要一環(huán)等 |
收起
反應(yīng)機理
總的反硝化過程可以用以下方程式表示：
2 NO + 10 e + 12 H → N + 6 HO, ΔG = ?333 kJ/mol
其中包括以下四個還原反應(yīng)還原反應(yīng)：
硝酸鹽（NO）還原為亞硝酸鹽（NO）：2 NO + 4 H + 4 e → 2 NO + 2 HO
一氧化二氮（NO）還原為氮氣（N）：NO + 2 H + 2 e → N + HO
以上四個反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，所以在無氧或缺氧條件下，細菌可以將硝酸鹽（NO）作為電子傳遞鏈(ETC)的最終電子受體（TEA, terminal electron acceptor），來完成物質(zhì)能量交換。
參與的微生物
反硝化菌在自然界以各種形式廣泛存在，如：
- Paracoccus denitrificans（自養(yǎng)，氧化氫氣H2）
- Pseudomonas stutzeri（異養(yǎng)，氧化有機碳）
反硝化菌主要為原核生物，大量存在于在α-, β- 和γ-變形菌綱中。已知的反硝化菌的屬有Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium等。
影響反應(yīng)的因素
碳源
在污水生化處理過程中，能為反硝化細菌利用的碳源主要有污水中的碳源以及外加碳源。如果能夠利用污水中的有機碳作為碳源是比較經(jīng)濟的。這要求污水中的BOD5/TN值大于3-5，如果不滿足要求則需外加碳源。常用的外加碳源為甲醇，因為甲醇被分解后主要生成二氧化碳和水，不殘留任何難降解的物質(zhì)，而且反硝化速率高。
pH值
pH值是反硝化過程的重要影響因素，反硝化細菌最適的pH值范圍為6.5-7.5，此時的反硝化速率最高；當pH值不在此范圍內(nèi)時，反硝化速率明顯下降。
溶解氧
反硝化細菌是異養(yǎng)兼性菌，只有在無分子氧的條件下反硝化菌才能利用硝酸鹽或亞硝酸鹽中的氧進行呼吸，使氮原子得到還原。如果反應(yīng)器中的溶解氧濃度過高，分子態(tài)氧成為供氧物質(zhì)，將使硝酸氮的還原過程受到抑制。
溫度
反硝化細菌的最適生長溫度為20-40℃，低于15℃時，反硝化速率明顯降低。因此，在冬季低溫季節(jié)，為了保持一定的反硝化速率，需要提高污泥停留時間，同時降低負荷，提高污水的停留時間。
意義
反硝化反應(yīng)在自然界具有重要意義，是氮循環(huán)的關(guān)鍵一環(huán)，可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3減少，消除因硝酸積累對生物的毒害作用。它和厭氧銨氧化（Anammox）一起，組成自然界被固定的氮元素重新回到大氣中的途徑。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，反硝化作用使硝酸鹽還原成氮氣，從而降低了土壤中氮素營養(yǎng)的含量，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。農(nóng)業(yè)上常進行中耕松土，以防止反硝化作用。
在環(huán)境保護方面，反硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)一起可以構(gòu)成不同工藝流程，是生物除氮的主要方法，在全球范圍內(nèi)的污水處理廠中被廣泛應(yīng)用。
利用與控制
用途
微生物和植物吸收利用硝酸鹽有兩種完全不同的用途，一是利用其中的氮作為氮源，稱為同化性硝酸還原作用：NO3-→NH4+→有機態(tài)氮。許多細菌、放線菌和霉菌能利用硝酸鹽做為氮素營養(yǎng)。另一用途是利用NO2-和NO3-為呼吸作用的最終電子受體，把硝酸還原成氮（N2），稱為反硝化作用或脫氮作用：NO3-→NO2-→N2↑。能進行反硝化作用的只有少數(shù)細菌，這個生理群稱為反硝化菌。生化過程可用下式表示：C6H12O6+12NO3-→6H2O+6CO2+12NO2-+能量CH3COOH+8NO3-→6H2O+10CO2+4N2+8OH-+能量少數(shù)反硝化細菌為自養(yǎng)菌，如脫氮硫桿菌，它們氧化硫或硝酸鹽獲得能量，同化二氧化碳，以硝酸鹽為呼吸作用的最終電子受體。可進行以下反應(yīng)：5S+6KNO3+2H2O→3N2+K2SO4+4KHSO4反硝化作用使硝酸鹽還原成氮氣，從而降低了土壤中氮素營養(yǎng)的含量，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。農(nóng)業(yè)上常進行中耕松土，以防止反硝化作用。反硝化作用是氮素循環(huán)中不可缺少的環(huán)節(jié)，可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-減少，消除因硝酸積累對生物的毒害作用。
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