生物脫氮通過氨化、硝化、反硝化三個步驟完成。

1.氨化反應

有機氮化物在好氧菌和氨化細菌的作用下分解，轉化為氨態氮，有機碳被降解為CO2。以氨基酸為例，其反應式如下：

RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3

2.硝化反應

在硝化菌的作用下，氨態氮進一步分解、氧化，就此分兩個階段進行：首先在亞硝化菌的作用下，使銨（NH4+）轉化為亞硝酸氮；然后亞硝酸氮在硝酸菌的作用下，進一步轉化為硝酸氮。硝化反應的總反應式如下：

NH4++2O2=NO3-+H2O+2H+

在硝化反應充足時，COD的去除很容易滿足。

3.反硝化反應

硝酸氮（NO3-N）和亞硝酸氮（NO2-N）在反硝化菌的作用下，被還原為氣態N2。

氨氮向亞硝酸氮的轉化是限速步驟，因此在大多數生物處理過程中不會發生亞硝酸氮的積累，因為硝化菌會將亞硝酸氮迅速轉化為硝酸氮。這種硝化菌都是自養菌，比用的大多數異養菌生產速度要慢，生產速率為0.1~0.2d-1，要達到完全的硝化效果就需要較長的污泥齡。要達到成功的硝化，必須有三種足夠的基質濃度，即二氧化碳、氨氮、氧。二氧化碳為自養菌提供細胞生長所需的碳。硝化菌是專性好氧菌，在懸浮生長系統中維持菌體生存所需的溶解氧為1.0~1.5mg/L。硝化作用對溫度也很敏感，在10℃以下氨氮去除率下降。

將反硝化器放置在系統之前，在反硝化缺氧池中，回流污泥中的反硝化菌利用原污水中的有機物作為碳源，將回流混合液中的大量硝態氮。

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