氮轉化過程——硝化反硝化作用

在檢測生活廢水、工業廢水、地表水和地下水，經常檢測氨氮、總氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮等指標，這些指標有個共同的特點，都是跟「氮」有關系，其實就是氮的“不同形態”，下面跟大家一起聊一聊水中污染物——氮家族的變化過程。

?? 水中氮的四大“來源地”  ??

要想這些含氮污染物的主要來源是哪里呢？我們可以根據不同類型的水樣來舉例說明含氮污染物的主要來源：

生活污水：例如尿液中的尿素（水解成氨氮）、糞便中的蛋白質（有機氮）、食物殘渣中的蛋白質（有機氮）等等，主要為有機氮和氨氮，隨后隨著微生物的氨化作用，有機氮會持續向氨氮轉化，這也就是未處理的生活污水氨氮濃度很高的原因。

工業廢水：工業廢水種類很多，很多工藝中也會引入氮元素，例如肉類加工中動物排泄物、血液、脂肪、碎肉，酒類加工中的廢水含有大量的有機氮，垃圾填埋場的滲濾液含有高濃度氨氮、有機氮等，這些含氮污染物隨著污水的排放在污水處理站、下水道中轉化，最后進入到水體中。

地表水：農業污染，過量施用的化肥（銨鹽、硝酸鹽），隨雨水沖刷進入河道；入河排污口的污水排放進入河流，帶入含氮污染物；河流底部沉積底泥中的有機氮，會遷移到地表水中。

地下水：地表污染物（農業化肥、污水滲漏）通過包氣帶緩慢下滲，隨著地下水的流向遷移污染地下水。

?? 氮的“形態轉化之路”  ??

水體中的氮始終處于動態循環，核心轉化路徑如下：

硝化作用：好氧環境下的“逐級氧化”，分兩步走：

第一步，亞硝化作用：NH4+→NO2-，這個過程中主要微生物是亞硝酸菌；

第二部，硝化作用：NO2-→NO3-，這個過程中主要微生物是硝酸菌；

消化作用過程中氧化1毫克氨氮約消耗4.57毫克氧氣，對水體溶解氧構成巨大負擔，反應產生的氫離子直接增加水體酸度。

反硝化作用：缺氧環境下的“脫氮終章”。

缺氧條件下，反硝化菌登場，將硝酸鹽逐步還原為氮氣，這是水體徹底脫氮的關鍵：

反硝化作用：NO3-→N2?，這個過程中主要微生物是反硝化細菌；

反硝化過程需要的條件是缺氧環境（DO < 0.5 mg/L）和充足有機碳源（污水處理本身含有碳源），理想終點是氮氣分子從水中逸出，回歸大氣，實現無害脫氮。

?? 實際應用  ??

硝化、反硝化作用主要應用在污水處理廠中，在A/O等經典脫氮工藝中，通過人為創造環境引導微生物工作，污水在好氧池中全力曝氣，目的利用好氧微生物的硝化作用將氨氮徹底轉化為硝酸鹽，在厭氧池中停止曝氣+補充碳源（污水中本身自帶碳源，可根據情況決定是否需要額外添加），利用厭氧微生物的反硝化細菌目標將硝酸鹽轉化為氮氣排出水體，達到脫氮的目的。

在這個過程中，檢測數據是工藝調控的“眼睛”。好氧池出口氨氮是否達標、缺氧池出口硝酸鹽氮是否降低，直接指導曝氣量與碳源投加量的精準控制，也是指導運維人員調整工藝參數的關鍵。

另外，硝化反硝化作用在黑臭水體治理方面也被充分利用，黑臭水體的本質是氮循環斷裂與生態系統崩潰，治理核心是修復循環，看硝化和反硝化那個環節出了問題，根據檢測數據來指導開展修復，例如采用人工增氧提升好氧環境，為硝化作用提供充分的氧氣；再比如通過人工濕地、生態浮島構建“微環境”，促進硝化與反硝化協同發生等。

?? 核心啟示  ??

硝化和反硝化作用是水質中氮轉化、單循環和出氮的重要內容，作為分析人員，我們從這個過程中得到哪些啟示，我個人總結出如下幾點：

1. 我們需要用動態眼光看數據，每份水樣報告都是生化反應的瞬間定格，數據在空間上和時間上的變化對我們的工作有著指導意義，通過數據間的比對不僅能發現邏輯上的問題，還有可能了解水質檢測數據的變化所蘊含的深層價值。

2. 洞察指標內在邏輯，pH下降、DO消耗與氮形態變化存在因果關聯，水中氮的存在形態、濃度變化也體現出內部位系統的變化階段。

3. 深刻理解原理，才能敬畏操作規程，從源頭保障數據真實性，只有數據的真實性得到保證，才能更好的服務社會，體現出檢測分析的真實價值。