一、硝化細菌

硝化反應(yīng)過程：在有氧條件下，氨氮被硝化細菌所氧化成為亞硝酸鹽和硝酸鹽。他包括兩個基本反應(yīng)步驟：由亞硝酸菌（Nitrosomonas sp）參與將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的反應(yīng)；硝酸菌（Nitrobacter sp）參與的將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的反應(yīng)，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養(yǎng)菌，它們利用CO₂、CO₃^2-、HCO₃^-等做為碳源，通過NH₃、NH₄⁺、或NO₂^-的氧化還原反應(yīng)獲得能量。硝化反應(yīng)過程需要在好氧（Aerobic或Oxic）條件下進行，并以氧做為電子受體，氮元素做為電子供體。其相應(yīng)的反應(yīng)式為：

亞硝化反應(yīng)方程式：

55NH₄⁺+76O₂+109HCO₃→C₅H₇O₂N﹢54NO₂-+57H₂O+104H₂CO₃

硝化反應(yīng)方程式：

400NO₂^-+195O₂+NH₄^-+4H₂CO₃+HCO₃^-→C₅H₇O₂N+400NO₃^-+3H₂O

硝化過程總反應(yīng)式：

NH₄^-+1.83O₂+1.98HCO₃→0.021C₅H₇O₂N+0.98NO₃^-+1.04H₂O+1.884H₂CO₃

通過上述反應(yīng)過程的物料衡算可知，在硝化反應(yīng)過程中，將1克氨氮氧化為硝酸鹽氮需好氧4.57克（其中亞硝化反應(yīng)需耗氧3.43克，硝化反應(yīng)耗氧量為1.14克），同時約需耗7.14克重碳酸鹽（以CaCO₃計）堿度。

在硝化反應(yīng)過程中，氮元素的轉(zhuǎn)化經(jīng)歷了以下幾個過程：氨離子NH4-→羥胺NH₂OH→硝酰基NOH→亞硝酸鹽NO₂-→硝酸鹽NO₃^-。

二、反硝化細菌

反硝化反應(yīng)過程：在缺氧條件下，利用反硝化菌將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氮氣而從無水中逸出，從而達到除氮的目的。

反硝化是將硝化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣的過程，反硝化菌是一類化能異養(yǎng)兼性缺氧型微生物。當有分子態(tài)氧存在時，反硝化菌氧化分解有機物，利用分子氧作為最終電子受體，當無分子態(tài)氧存在時，反硝化細菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N₃⁺和N₅⁺做為電子受體，O₂^-作為受氫體生成水和OH^-堿度，有機物則作為碳源提供電子供體提供能量并得到氧化穩(wěn)定，由此可知反硝化反應(yīng)須在缺氧條件下進行。從NO₃^-還原為N₂的過程如下：

NO₃-→NO₂-→NO→N₂O→N₂

反硝化過程中，反硝化菌需要有機碳源（如碳水化合物、醇類、有機酸類）作為電子供體，利用NO₃^-中的氧進行缺氧呼吸。其反應(yīng)過程可以簡單用下式表示：

NO₃-+4H(電子供體有機物)→ 1/2N₂+H₂O+2OH^-

NO₂-+3H(電子供體有機物)→ 1/2N₂+H₂O+OH^-

污水中含碳有機物做為反硝化反應(yīng)過程中的電子供體。由上式可知，每轉(zhuǎn)化1gNO₂^-為N₂時，需有機物（以BOD表示）1.71g;每轉(zhuǎn)化1gNO₃^-為N₂時，需有機物（以BOD表示）2.86g。同時產(chǎn)生3.57g重碳酸鹽堿度（以CaCO₃計）。

如果污水中含有溶解氧，為使反硝化完全，所需碳源有機物（以BOD表示）用下式計算：

C=2.86Ni+1.71N0+DO0

其中：

C為反硝化過程有機物需要量（以BOD表示），mg/l;

Ni為初始硝酸鹽氮濃度（mg/l）

N0為初始亞硝酸鹽氮濃度（mg/l）

DO0為初始溶解氧濃度（mg/l）

如果污水中碳源有機物濃度不足時，應(yīng)補充投加易于生物降解的碳源有機物（甲醇、乙醇或糖類）。以甲醇為例，則

NO₃-+1.08CH₃OH+0.24H₂CO₃→0.056C₅H₇O₂N+0.47N₂↑+1.68H₂O+HCO₃-

如果水中有NO₂^-,則會發(fā)生下述反應(yīng)：

NO₂-+0.67CH₃OH+0.53H₂CO₃→0.04C5H₇O₂N+0.48N₂↑+1.23H₂O+HCO₃^-

由上式可見，每還原1gNO₂^-和1gNO₃^-分別需要消耗甲醇1.53g和2.47g。

當水中有溶解氧存在時，氧消耗甲醇的反應(yīng)式為：

O₂+0.93CH₃OH+0.056NO₃-→0.056C₅H₇O₂N+1.64H₂O+0.056HCO₃-+0.59H₂CO₃

綜上所述，可得反硝化過程需要有機碳源（甲醇）的投加量公式為：

Cm=2.47Ni+1.53N0+DO0

其中：

Cm為反硝化過程中需要的甲醇濃度（mg/l）

其余符號同上

綜上所述，硝化反應(yīng)每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗堿度7.14g,表現(xiàn)為PH值下降，在反硝化過程中，去除硝酸鹽氮的同時去除碳源，這部分碳源折合DO2.6g,另外，反硝化過程中補償堿度3.57g。