廢水的微生物脫氮除磷

廢水的微生物脫氮除磷第1頁/共60頁第一節(jié)概述氮、磷對受納水體的主要危害表現(xiàn)在：（1）造成水體的富營養(yǎng)化；（2）影響水源水質(zhì)，增加給水處理成本；（3）對人和生物產(chǎn)生毒性。第2頁/共60頁第一節(jié)概述氮、磷是藻類生長的限制因子，水體中氮、磷濃度增高會導致水體的富營養(yǎng)化。當水體中磷的含量高于0.5mg/L時，將促進富營養(yǎng)化現(xiàn)象的加速發(fā)生；但當水體中磷的含量低于0.5mg/L時，能控制藻類的過度生長；而低于0.05mg/L時，藻類則幾乎停止生長。氨態(tài)氮排入水體會因硝化作用而耗去水體中大量的氧造成水體溶解氧下降。飲用水中硝態(tài)氮超過10mg/L會引起嬰兒的高鐵血紅蛋白癥。第3頁/共60頁第一節(jié)概述水體富營養(yǎng)化問題越來越嚴重，據(jù)報道，1991年我國共發(fā)生赤潮38次，1992年增加至50次，造成魚類和其他生物大量死亡，對海洋漁業(yè)資源造成極大的破壞。為此，對于水體中氮、磷的去除已越來越受到重視，許多國家對廢水處理廠出水氮、磷都制訂了嚴格的排放標準。近年來,廢水的脫氮除磷技術(shù)得到了迅速發(fā)展。而微生物脫氮除磷技術(shù)由于具有處理效果好，處理過程穩(wěn)定可靠、處理成本低、操作管理方便等優(yōu)點而得到廣泛運用，為水體中氮、磷的去除提供了有效手段。第4頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮一、發(fā)展歷程二、基本原理三、工藝流程四、影響因素五、應用實例六、生物脫氮研究進展第5頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程三、工藝流程生物脫氮的工藝流程，根據(jù)細菌在系統(tǒng)中存在的狀態(tài)可分為懸浮污泥系統(tǒng)和膜法系統(tǒng)兩大類。懸浮污泥系統(tǒng)又可分為去碳、硝化、反硝化結(jié)合的單級污泥系統(tǒng)以及去碳、硝化、反硝化相分隔的多級污泥系統(tǒng)。根據(jù)脫氮時所用的碳源，還可將其細分為兩類：內(nèi)碳源和外加碳源。第6頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程(一)懸浮污泥系統(tǒng)

懸浮污泥系統(tǒng)可分為以下幾種類型：1．懸浮多級污泥內(nèi)碳源系統(tǒng)2．懸浮多級污泥外加碳源系統(tǒng)3．懸浮單級污泥內(nèi)碳源系統(tǒng)4．懸浮單級污泥外加碳源系統(tǒng)第7頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程1．懸浮多級污泥內(nèi)碳源系統(tǒng)處理流程見下圖第8頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程該系統(tǒng)主要分為兩大部分，前半部分污泥在好氧條件下去碳及硝化，其污泥經(jīng)沉淀池分離后隨即回流，與后半部分并不混合。硝化的廢水進入后半部分，在缺氧條件下利用旁路進水中的有機碳作為碳源進行反硝化，剩余的小部分有機物經(jīng)后曝氣被氧化分解。后曝氣還可吹脫污泥中氮氣，并通過提高溶氧水平使反硝化作用停止，以使污泥在沉淀池中很好地分離。第9頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程2．懸浮多級污泥外加碳源系統(tǒng)

處理流程見下圖流程基本上與懸浮多級污泥內(nèi)碳源系統(tǒng)相同，只是反硝化這一步利用外加甲醇或其他含碳工業(yè)廢水作為碳源。

第10頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程分隔的多級污泥系統(tǒng)同其他反硝化系統(tǒng)相比較，由于可根據(jù)每一級微生物的不同要求進行操作管理，故運行較穩(wěn)定，效率亦高，可使系統(tǒng)總的池積減少，但由于池子繁多，基建費用較高。第11頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程3．懸浮單級污泥內(nèi)碳源系統(tǒng)

懸浮單級污泥內(nèi)碳源系統(tǒng)主要有四種基本流程，即前置反硝化的A/O(Anoxic/Oxic)工藝、同時反硝化的氧化溝工藝、后反硝化的橋本工藝及四階段的Bardenpho工藝。它們的共同特點是去碳、硝化和反硝化在分隔或不分隔的同一系統(tǒng)內(nèi)的不同區(qū)段中進行，整個系統(tǒng)只有一種污泥，因此只設一個二次沉淀池。不論其流程如何變化，系統(tǒng)內(nèi)總是存在著去碳和硝化的好氧段(或好氧池)以及進行反硝化的缺氧段(或缺氧池)這二大部分。

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工藝流程(1)A/O工藝A/O(Anoxic/Oxic)工藝即為缺氧／好氧工藝，其流程見下圖。

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工藝流程在這種工藝中，反硝化段是在處理系統(tǒng)最前面，硝化段中的混合液以一定比例回流到反硝化段，反硝化段中的反硝化脫氮菌在無氧或低氧條件下，利用進水中的有機物作為碳源，以回流硝化池內(nèi)NO3-中的氧作為電子受體，將NO3-還原為N2。這樣，反硝化過程中所需的有機碳源可直接來源于污水，不必外加。從而，可以減輕硝化時的有機物負荷，減少停留時間，并節(jié)省曝氣量和堿的投加量。反硝化過程中產(chǎn)生的堿度可補償硝化段消耗的堿度的一半左右。該種微生物脫氮法是一種較為完善的工藝流程，這也是目前在生物脫氮中最廣泛采用的工藝。第14頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程(2)氧化溝工藝

其流程見下圖第15頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程在環(huán)狀氧化溝的某一點或多點設置曝氣機，污泥沿氧化溝循環(huán)流動。在曝氣機的下游區(qū)段為好氧段，進行去碳和硝化。遠離曝氣機的區(qū)段直至下一曝氣機上游端為缺氧段，廢水在缺氧段起始點進入。反硝化細菌可利用廢水中的碳源和好氧段來的硝酸鹽進行反硝化脫氮。處理后出水在好氧段末端由導管引入二沉池。曝氣機常選用轉(zhuǎn)刷或浸沒式U型管曝氣機，轉(zhuǎn)速慢、能耗省，可滿足充氧并使污泥向前流動。第16頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程(3)橋本工藝其工藝流程見下圖第17頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程在橋本工藝中反硝化的缺氧池位于好氧池的后面。廢水進入前面的好氧池進行去碳和硝化，后面的缺氧池利用旁路流入的一部分廢水中的碳源以及來自前面的好氧池的硝酸鹽進行反硝化脫氮。它的工藝流程較為簡單，缺點是旁路流入缺氧池提供反硝化碳源的廢水流量很難控制，若流量不足會影響反硝化，流量過大會因碳源過剩而影響出水水質(zhì)。在缺氧池后設一停留時間為34min-45min的后曝氣池，可去除殘剩的有機物和吹脫污泥上的氮氣泡。

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工藝流程(4)Bardenpho工藝其工藝流程見下圖第19頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程四段Bardenpho工藝的前面二段類似于A/O工藝。為了進一步提高去氮率，可將好氧池1流出的硝酸鹽導入第二個缺氧池，反硝化細菌可利用細菌衰亡后釋放的二次性基質(zhì)作為碳源進行反硝化，以徹底去除系統(tǒng)中的硝酸鹽，當然缺氧池2的反硝化速率較低。污泥最后進入好氧池2，以吹脫氮氣泡，提高污泥的沉降性能。

第20頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程4．懸浮單級污泥外加碳源系統(tǒng)

流程與懸浮單級污泥內(nèi)碳源系統(tǒng)相同，只是在反硝化段通入外加甲醇，以防止因原水中碳源不足或低溫而引起反硝化速率下降。但外加碳源成本較高。第21頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程(二)生物膜系統(tǒng)與懸浮污泥系統(tǒng)相比，生物膜系統(tǒng)的主要優(yōu)點是無需回流污泥，且構(gòu)筑物內(nèi)可維持較高的生物量，因此，水力停留時間較懸浮污泥系統(tǒng)短，負荷率高，脫氮效率高，是一種較為經(jīng)濟適用的脫氮工藝。生物膜法脫氮系統(tǒng)中通常使反硝化過程和硝化過程分別在兩個處理構(gòu)筑物內(nèi)進行，并使反硝化設備內(nèi)微生物處于缺氧狀態(tài)，以進行反硝化脫氮。反硝化處理設備可采用淹沒式生物濾池、淹沒式生物轉(zhuǎn)盤和生物流化床；硝化處理構(gòu)筑物除上述三種外，還可以用生物接觸氧化或活性污泥，當然活性污泥則需要另設污泥沉淀池，以使污泥單獨回流。第22頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程同懸浮污泥系統(tǒng)一樣，生物膜脫氮系統(tǒng)也可以分為內(nèi)碳源系統(tǒng)和外加碳源系統(tǒng)。還可根據(jù)淹沒式生物濾池廢水的流向分為上向流和下向流兩類。(1)內(nèi)碳源反硝化濾池內(nèi)碳源反硝化濾池的反硝化部分系采用不充氧的缺氧濾池。同懸浮系統(tǒng)一樣，承擔反硝化的缺氧濾池可以在好氧濾池的前面，也可以在后面。如下圖。第23頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程

（a）去碳、硝化部分（b）前反硝化（c）后反硝化利用活性污泥法圖4-8內(nèi)碳源反硝化濾池第24頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程這幾種系統(tǒng)的反硝化效果大體為70％-80％左右，在前反硝化系統(tǒng)中，經(jīng)好氧濾池后的出水需回流至缺氧濾池，當回流比為進水流量的四倍(或更高一些)，脫氮率可達90％。在后反硝化系統(tǒng)中，原水部分旁路進入反硝化濾池，對運行管理要求較高，否則出水不是碳未去盡，就是脫氮效果低下。第25頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

工藝流程(2)外加碳源反硝化濾池流程與內(nèi)碳源濾池相同，只是反硝化濾池通入外加碳源(如甲醇)，而不是原生污水。它的脫氮效果較內(nèi)碳源濾池高，停留時間亦可縮短。存在最大的問題是投加甲醇的劑量應隨硝酸鹽濃度的變化而相應地改變，因此運行管理上要求較高。在后反硝化系統(tǒng)中，為了確保除去剩余的甲醇，可設置后曝氣塔。

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工藝流程(3)下向流濾池濾池介質(zhì)(濾料)可選用顆粒狀活性炭、石塊或紙質(zhì)蜂窩或塑料波紋板。由于濾池是缺氧的，不充氣，膜上的兼性厭氧反硝化細菌利用硝酸鹽作為電子受體進行無氧呼吸，生物量逐漸增多，使膜逐漸變厚，可因此而造成堵塞，引起水頭損失，或因局部堵塞造成不堵的部分水力負荷過高，形成短路，影響處理效果。在運行管理上的關(guān)鍵是防止堵塞，需定期進行反沖。反沖可采用壓縮空氣或用水力來沖擊，當水頭損失過高，表明有堵塞時即以大流量進水進行反沖。

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工藝流程(4)上向流濾池，在上向流濾池中，原水從下方進入濾池，當上向流動的水力等于或大于介質(zhì)的重力時即可將介質(zhì)托起，形成流化床或膨脹床。若水力小于介質(zhì)的重力時，介質(zhì)仍沉于池底，為了同流化床相區(qū)別亦可稱之為固定床。上向流濾池的介質(zhì)可選用較細的顆粒活性炭或較輕的塑料介質(zhì)。同下向流濾池相比較可減少反沖，同時由于介質(zhì)顆粒較細小，可增大濾池內(nèi)介質(zhì)的總表面積。從而提高脫氮的容積負荷，減少停留時間。

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影響因素四、影響因素由于微生物脫氮系統(tǒng)對氮的去除主要是通過硝化作用和反硝化作用實現(xiàn)的，因而影響這兩個過程的一些環(huán)境因子都將對整個系統(tǒng)的氮去除產(chǎn)生影響，研究表明，影響微生物脫氮的主要因素有以下幾個方面：第29頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素1．pH

硝化反應的結(jié)果生成強酸（HNO3）,會使環(huán)境的酸性增強，因此硝化反應要消耗堿。如果污水中沒有足夠的堿度，則隨著硝化的進行，pH會急劇下降。硝化細菌對pH十分敏感，亞硝酸細菌和硝酸細菌分別在7.0-7.8和7.7-8.1時活性最強，pH值在這個范圍以外，其活性便急劇下降，如下圖所示。第30頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素可見，pH是影響硝化速度的重要因素

第31頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素在構(gòu)筑物中，硝化反應適宜的pH范圍，比上圖所示的要寬一些(如下圖所示)。第32頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素研究表明，硝化細菌經(jīng)過一段時間馴化后，低pH值比突然降低pH值的影響小得多。經(jīng)過馴化，硝化反應可在低pH值(如5.5)條件下進行。但突然降低pH值(如由7.2降到5.8)，會使硝化反應速度驟降。當pH值升高后，硝化反應速度又會很快地恢復。第33頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素pH值也影響反硝化的速率。多數(shù)學者認為反硝化的最佳pH范圍在中性和微堿性。同時pH值可影響反硝化的最終產(chǎn)物。pH值超過7.3時終產(chǎn)物為氮氣，低于7.3時，最終產(chǎn)物以N2O占優(yōu)勢；當pH大于8時，會出現(xiàn)NO2-的積累，且pH值越高，NO2-積累越多。研究發(fā)現(xiàn)這是因為高pH抑制了亞硝酸鹽還原酶的活性而對硝酸鹽還原酶的活性影響不大所致。生物脫氮過程中，通常把硝化段運行的pH值控制在7.2-8.0之間，反硝化段pH控制在7.5-8.5之間。

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影響因素2．溫度溫度對硝化反應速度的影響很大,見下圖(活性污泥硝化系統(tǒng)中

)第35頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素其原因在于溫度對硝化細菌的增殖速度和活性影響很大。兩類硝化細菌的最宜溫度為30℃左右。溫度對反硝化速度的影響大小與反硝化設備的類型(微生物懸浮生長型或固著型)、硝酸鹽負荷率等因素有關(guān)。

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影響因素

表4-3溫度對不同構(gòu)筑物內(nèi)反硝化速度的影響可見，流化床反硝化對溫度的敏感性比生物轉(zhuǎn)盤和懸浮污泥的小得多。第37頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素下面兩圖是不同類型反硝化設備中反硝化速度受溫度影響的示例

填料床中溫度對反硝化速度的影響

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影響因素

懸浮污泥中溫度對反硝化速度的影響從上面表、圖可以看到填料床反硝化的反應速度受溫度的影響比懸浮污泥法小。第39頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素下圖表示不同硝酸鹽負荷下，溫度對反硝化反應速率的影響結(jié)果表明負荷低，溫度影響??；反之亦然。

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影響因素3．溶解氧溶解氧濃度影響硝化反應速度和硝化細菌的生長速度，如下圖所示。

溶解氧對硝化速率的影響第41頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素硝化作用過程要耗去大量的氧，使一分子NH4+-N完全氧化成NO3-需2分子氧，亦即4.57mgO2/mgNH4+-N。硝化過程的溶解氧濃度，一般建議應維持在1.0mg/L-2.0mg/L。

第42頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素溶解氧對反硝化脫氮有抑制作用，其機制為阻抑硝酸鹽還原酶的形成或者僅僅充當電子受體從而競爭性地阻礙了硝酸鹽的還原。雖然氧對反硝化脫氮有抑制作用，但氧的存在對能進行反硝化作用的反硝化菌卻是有利的，因為這類菌為兼性厭氧菌，菌體內(nèi)的某些酶只有在有氧時才能合成，因而在工藝上最好使這些反硝化菌(即污泥)交替處于好氧、缺氧的環(huán)境條件下。第43頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素在懸浮污泥反硝化系統(tǒng)中，缺氧段溶解氧應控制在0.5mg/L以下，由于污泥絮凝物內(nèi)部仍呈厭氧狀態(tài)，同樣可進行反硝化作用，故而脫氮反應并不要求溶解氧保持在零的狀態(tài)。在膜法反硝化系統(tǒng)中，菌周圍微環(huán)境的氧分壓與大環(huán)境的氧分壓不同，即使濾池內(nèi)有一定的溶解氧，生物膜內(nèi)層仍呈缺氧狀態(tài)，因此，當缺氧段溶解氧控制在1mg/L-2mg/L以下時也不影響反硝化的進行。第44頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素4．碳源碳源物質(zhì)主要是通過影響反硝化細菌的活性來影響處理系統(tǒng)的脫氮效率。從廢水生物脫氮的角度來看可分成三類：廢水中所含的有機碳源外加碳源內(nèi)碳源第45頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素(1)廢水中所含的有機碳源廢水中各種有機基質(zhì)，例如有機酸類、醇類、碳水化合物或烷烴類、苯酸鹽類、酚類和其他的苯衍生物都可以作為反硝化過程中的碳源。一般認為，當廢水中所含碳(BOD5)與總氮的比值大于3：1時，無需外加碳源，即可達到脫氮目的。這類碳源最經(jīng)濟，因而為大多數(shù)微生物脫氮系統(tǒng)所采用。

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影響因素(2)外加碳源當廢水的BOD5與總氮比值小于3：1時，需另外投加碳源才能達到理想的去氮效果。外加碳源大多采用甲醇，因為它氧化分解產(chǎn)物為二氧化碳和水，不留任何難分解的中間產(chǎn)物，價格也較低廉。歐美各國在飲用水的反硝化中采用乙醇，避免殘余的甲醇對人體的毒性作用，但費用比甲醇略貴。第47頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素為了降低成本，目前已利用淀粉廠、釀造廠、豆制品廠等的高濃度有機廢水作為反硝化外加碳源。國內(nèi)在硝化廢水的生物脫氮方面已成功地采用副產(chǎn)品粗酚作為外加碳源。徐亞同曾試驗采用污水處理廠內(nèi)厭氧消化污泥上清液作為城市廢水生物脫氮的碳源，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)它的組分中80％以上是揮發(fā)性脂肪酸，因此它作碳源時反硝化速率比甲醇、乙醇作碳源還要快，但缺點是將大量的氮帶人到處理系統(tǒng)中，增加了系統(tǒng)氮的負荷。第48頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素(3)內(nèi)碳源內(nèi)碳源主要指活性污泥微生物死亡、自溶后釋放出來的有機碳，也稱為二次性基質(zhì)。為了利用內(nèi)碳源來進行反硝化脫氮，要求反應器的泥齡長、污泥負荷低，使微生物處于生長曲線穩(wěn)定期的后部或衰亡期。這樣，反應器的容積相應增大，負荷率低。經(jīng)測定，內(nèi)碳源的反硝化速率極低，約為上述兩種方法的十分之一左右。它的優(yōu)點是在廢水碳氮比低時不必外加碳源也可達到脫氮目的，此外由于污泥產(chǎn)率低而減少了污泥處置的費用。第49頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素5．有毒物質(zhì)某些重金屬、絡合陰離子和有毒有機物對硝化細菌有毒害作用，這些有毒有機物如表4-4所示。另外，氨態(tài)氮和亞硝態(tài)氮對硝化細菌也有影響，據(jù)研究，當污水中氨氮濃度小于200mg/L，亞硝態(tài)氮濃度小于100mg/L時，對硝化作用沒有影響。第50頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

影響因素

表4-4影響活性污泥硝化作用的有機物第51頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

生物脫氮研究進展六、生物脫氮研究進展傳統(tǒng)生物脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個階段，硝化和反硝化反應分別由硝化菌和反硝化菌作用完成，由于對環(huán)境條件的要求不同，這兩個過程不能同時發(fā)生，而只能序列式進行，即硝化反應發(fā)生在好氧條件下，反硝化反應發(fā)生在缺氧或厭氧條件下。由此而發(fā)展起來的生物脫氮工藝大多將缺氧區(qū)與好氧區(qū)分開，形成分級硝化反硝化工藝,以便硝化與反硝化能夠獨立地進行。第52頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

生物脫氮研究進展傳統(tǒng)生物脫氮工藝存在不少問題：(1)工藝流程較長，占地面積大，基建投資高；(2)由于硝化菌群增殖速度慢且難以維持較高的生物濃度，特別是在低溫冬季，造成系統(tǒng)的HRT較長，需要較大的曝氣池，增加了投資和運行費用；(3)系統(tǒng)為維持較高的生物濃度及獲得良好的脫氮效果，必須同時進行污泥和硝化液回流，增加了動力消耗和運行費用；(4)系統(tǒng)抗沖擊能力較弱，高濃度NH3-N和NO2-廢水會抑制硝化菌生長；(5)硝化過程中產(chǎn)生的酸度需要投加堿中和，不僅增加了處理費用，而且還有可能造成二次污染等等。

第53頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

生物脫氮研究進展然而,生物脫氮技術(shù)的新發(fā)展卻突破了傳統(tǒng)理論的認識。在概念和工藝上的新發(fā)展主要有：短程(或簡捷)硝化反硝化(ShortcutNitrification-Denitrification)同時硝化反硝化(SimultaneousNitrification-Denitrification)厭氧氨氧化(AnaerobicAmmoniumOxidation--ANAMMOX)。第54頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

生物脫氮研究進展(一)短程硝化-反硝化生物脫氨氮需經(jīng)過硝化和反硝化兩個過程。當反硝化反應以NO3-為電子受體時，生物脫氮過程經(jīng)過NO3-途徑；當反硝化反應以NO2-為電子受體時，生物脫氮過程則經(jīng)過NO2-途徑。前者可稱為全程硝化反硝化，后者可稱為短程(或簡捷)硝化反硝化，見圖A、B。第55頁/共60頁第二節(jié)微生物脫氮

生物脫氮研究進展

NH4+—→NO2-—→NO3