好的，我们终于来到了生物脱氮的“收官之战”——介绍**反硝化菌种**。如果说硝化菌是负责将氨氮“氧化”成硝酸盐的先锋，那么反硝化菌就是负责将硝酸盐“还原”成氮气，并将其彻底从水中“请出去”的**清道夫。
### 一、 反硝化菌是什么？
**反硝化菌**是一类能够在**缺氧**条件下，以硝酸盐或亚硝酸盐作为*终电子受体，将其还原为氮气的一系列微生物的总称。这个过程被称为 **“反硝化作用”** 或 **“脱氮作用”**。
它们的核心特点包括：
* **异养型为主**：大多数常见的反硝化菌是**异养菌**，需要利用有机碳源（如甲醇、乙酸、葡萄糖等BOD）作为电子供体和能量来源进行生长。这也是反硝化过程需要碳源的原因。
* **兼性厌氧**：这是它们*关键的特性。它们在**有氧条件下**，会优先使用氧气进行有氧呼吸，降解有机物，此时不进行反硝化；在**无氧条件下**，它们可以“切换”代谢模式，使用硝酸盐来代替氧气进行呼吸。
* **种类广泛**：反硝化功能并非某些特有菌属的**，而是广泛存在于多种常见细菌中。
### 二、 反硝化作用的过程
反硝化作用是一个逐步还原的过程：
**硝酸盐 → 亚硝酸盐 → 一氧化氮 → 一氧化二氮 → 氮气**
**总反应方程式（以甲醇为碳源为例）：**
`NO₃⁻ + 1.08 CH₃OH + 0.24 H₂CO₃ → 0.056 C₅H₇O₂N（细菌细胞） + 0.47 N₂ + 1.68 H₂O + HCO₃⁻`
这个过程不仅去除了氮，还**恢复了系统的碱度**（产生HCO₃⁻），部分抵消了硝化过程消耗的碱度。
## 三、 反硝化菌在水处理中的重要性
1. **彻底脱氮**：将溶解在水中的硝酸盐转化为不溶于水的氮气，释放到大气中，从而**彻底将氮元素从水体中移除**，防止水体富营养化。
2. **恢复碱度**：反硝化过程产生的碱度约为硝化过程消耗碱度的**一半**，有助于稳定系统的pH值，降低外加碱度的成本。
3. **同步去除BOD**：反硝化过程同时消耗了水中的有机碳源，实现了 **“一石二鸟”** ，同步去除了BOD和硝酸盐氮。
### 四、 常见的反硝化菌种类
反硝化菌种类繁多，许多都是环境中常见的细菌。主要包括：
| 菌属 | 特点 |
| :--- | :--- |
| **假单胞菌属** | 非常常见的反硝化菌，能利用多种碳源。 |
| **副球菌属** | 研究广泛的菌属，有些菌株可用于污水处理。 |
| **芽孢杆菌属** | 能形成芽孢，抗逆性强。 |
| **产碱杆菌属** | 常见于活性污泥中。 |
| **陶厄氏菌属** | |
| **色杆菌属** | |
**特殊类型：自养反硝化菌**
* **特点**：它们不依赖有机碳源，而是利用**无机物**（如氢气、硫化物、硫单质、亚铁离子等）作为电子供体。
* **应用**：适用于**碳源极度缺乏**的废水深度处理，如饮用水脱氮、污水处理厂尾水提标等。但运行控制更为复杂（例如，使用氢气作为电子供体存在安全风险）。
### 五、 影响反硝化菌活性的关键环境因素
与“娇贵”的硝化菌相比，反硝化菌更为“皮实”，生长更快，但也需要合适的条件：
1. **缺氧条件**：
* ****状态**：**溶解氧接近于零（<0.2-0.5 mg/L）**。
* **原因**：反硝化菌是兼性厌氧菌，当存在游离氧时，它们会优先使用溶解氧进行有氧呼吸，因为这样产能效率更高。只有在缺氧环境下，才会“启动”反硝化酶系统。
2. **碳源（电子供体）**：
* 这是反硝化过程的 **“燃料”** 和***关键**的控制因素。
* **碳氮比**：理论上，还原1g硝酸盐氮需要约2.86g BOD₅。实际运行中通常要求**BOD₅/TKN > 4-5** 以保证充分的反硝化。
* **碳源类型**：
* **原水碳源**：直接利用进水中的有机物，*经济。
* **外加碳源**：当原水碳源不足时，需要额外投加，如**甲醇、乙酸、乙醇、葡萄糖**等。甲醇因其成本效益高而*常用。
3. **温度**：
* 适宜范围较广，**15-35°C**。温度降低会减慢反硝化速率，但在较低温度下（如5-10°C）仍能进行，只是需要更长的水力停留时间或更多的碳源。
4. **pH值**：
* **范围为 **7.0-8.0**。pH过高或过低都会抑制反硝化菌的活性，并可能造成中间产物（如N₂O，一种强效温室气体）的积累。
5. **硝酸盐浓度**：
* 足够的硝酸盐是反应的底物，其浓度会影响反应速率。
### 六、 反硝化菌在水处理工艺中的应用
反硝化是主流脱氮工艺（如A/O, A²/O, SBR, MBR, Bardenpho等）中**缺氧段**的核心反应。
* **A/O（缺氧/好氧）工艺**：
* **缺氧池**：回流的好氧混合液（富含NO₃⁻）与原水（富含BOD）在此混合。反硝化菌利用原水中的碳源，将硝酸盐还原为氮气。
* 这是*经典、*广泛的应用。
* **后置反硝化（如MLE工艺）**：
* 好氧池出水进入专门的缺氧池，需要**外加碳源**（如甲醇）来驱动反硝化。
* **同步硝化反硝化**：
* 在同一个反应器（如曝气不足的生物膜或絮体内部）中，外部好氧区域发生硝化，内部缺氧区域发生反硝化。
### 总结：硝化菌 vs. 反硝化菌
| 特征 | 硝化菌 | 反硝化菌 |
| :--- | :--- | :--- |
| **类型** | 自养型 | 异养型（为主） |
| **氧气需求** | 严格好氧 | 兼性厌氧（需要缺氧环境） |
| **能量来源** | 氧化氨氮/亚硝酸盐 | 氧化有机碳源（BOD） |
| **主要作用** | 将氨氮转化为硝酸盐 | 将硝酸盐转化为氮气 |
| **对碱度影响** | 消耗碱度（产酸） | 恢复碱度（产碱） |
| **生长速率** | 非常缓慢 | 相对较快 |
| **环境敏感性** | 非常敏感（pH、温度、毒素） | 相对较强 |
总而言之，反硝化菌是生物脱氮流程中实现***终目标**的关键执行者。通过为它们创造合适的**缺氧环境**并提供充足的**碳源“燃料”**，我们就能**地将硝酸盐这个*终的水中污染物，转化为无害的氮气，圆满地完成水处理的脱氮任务。
