一、硝化細菌

硝化反應過程：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步驟：由亞硝酸菌（Nitrosomonas sp）參與將氨氮轉化為亞硝酸鹽的反應；硝酸菌（Nitrobacter sp）參與的將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽的反應，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養菌，它們利用CO2、CO32-、HCO3-等做為碳源，通過NH3、NH4+、或NO2-的氧化還原反應獲得能量。硝化反應過程需要在好氧（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。其相應的反應式為：

亞硝化反應方程式：

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

硝化反應方程式：

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

硝化過程總反應式：

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

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

在硝化反應過程中，氮元素的轉化經歷了以下幾個過程：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污水中逸出，從而達到除氮的目的。

反硝化是將硝化反應過程中產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兼性缺氧型微生物。當有分子態氧存在時，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，有機物則作為碳源提供電子供體提供能量并得到氧化穩定，由此可知反硝化反應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-中的氮進行缺氧呼吸。其反應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-

綜上所述，硝化反應每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗堿度7.14g,表現為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。

3、硝化反硝化的堿度平衡

1、一般來說，在硝化反應中每硝化lgNH3-N需要消耗7.14g堿度，所以硝化過程中需要的堿度量可按下式計算：

堿度＝7.14×QΔCNH3-N×10-3 (1)

式中：

Q為進入濾池的日平均污水量，m³／d；

ΔCNH3-N為進出濾池NH3-N濃度的差值，mg／L；

7.14為硝化需堿量系數，kg堿度／kgNH3-N。

2、對于含氨氮濃度較高的工業廢水，通常需要補充堿度才能使硝化反應器內的pH值維持在7.2～8.0之間。計算公式如下：

堿度＝K×7.14×QΔCNH3-N×10-3 (2)

式中，K為安全系數，一般為1.2～1.3。

3、實際工程中進行堿度核算應考慮以下幾部分：入流污水中的堿度，生物硝化消耗的堿度，分解BOD5產生的堿度，以及混合液中應保持的剩余堿度。要使生物硝化順利進行，***滿足下式：

ALKw＋ALKc＞ALKN＋AlKE （3）

如果堿度不足，要使硝化順利進行，則***投加純堿，補充堿度。投加的堿量可按下式計算：

ΔALK＝（ALKN＋ALKE）—（ALKw＋ALKc） （4）

式中：

ΔALK為系統應補充的堿度，mg／L；

ALKN 為生物硝化消耗的堿量；ALKN一般按硝化每kgNH3-N消耗7.14kg堿計算。

ALKE 為混合液中應保持的堿量，ALKE一般按曝氣池排出的混合液中剩余50mg/L堿度(以Na2CO3計)計算。

ALKw 為原污水中的總堿量；

ALKc 為BOD5分解過程中產生的堿量；ALKc與系統的SRT有關系：

當SRT＞20d時，可按降解每千克BOD5產堿0.1kg計算；

當SRT＝10～20d時，按0.05kgALK/kgBOD5；

當SRT＜10d時，按0.01gALK/kgBOD5。