从方程式（4．7）中可以看出，氨氧化成硝酸盐时，会释放出氢离子，这样，如果碱度不足，pH值就会降低。
氧化不是单独进行的，合成也同时进行，这就导致了生物的增长。合成的表示形式为： 15CO2＋13NH4＋─→10NO2-＋3C5H7NO2＋23H＋＋4H2O （亚硝化单胞菌） （4．8） 和
5CO2＋NH4＋＋10NO-2＋2H2O─→10NO-3＋C5H7NO2＋H＋ （硝化杆菌） （4．9） 知道了细胞产率，就可以把氧化和合成反应结合起来，文献资料表明，亚硝化单胞菌的细胞产率为每毫克NH4＋-N产出0.04～0.29mgVSS/mgNH4＋-N。硝化杆菌的细胞产率为每毫克NH4
＋
-N产出0.02～0.084mgVSS/mgNH4＋-N。假定亚硝化单胞菌的细胞产率为0.15mgVSS/mgNH3-N，
硝化杆菌的细胞产出率为0.02mgVSS/mgNO2-N，就可写出： （亚硝化单胞菌）
＋
55NH4＋76O2＋109HCO3- ────→C5H7NO2+54NO2-＋57H2O＋104H2CO3 （4．10） 和
（硝化杆菌）
-＋- 400NO2＋NH4＋4H2CO3＋HCO3＋195O2────→C5H7NO2＋3H2O＋400NO3- （4．11） 把方程式（4．10）和（4．11 ）合并并化简，即得：
NH4＋＋1.83O2＋1.98HCO3-─→0.021C5H7NO2＋1.04H2O＋0.98NO3-＋1.88H2CO3 （4．12） 根据方程式（4．12 ）可以算出硝化对氧的需要量：约为4.3mgO2/mgNH4＋-N。 根据方程式（4．12），还可算出硝化过程中所消耗的碱度：氧化每毫克NH4＋-N，就消耗7.14mg的碱度（以CaCO3计）。关于碱度的问题，将在动力学部分进一步讨论。
4．3 硝化动力学
在讨论硝化的动力学问题时，我们将把莫诺模式用于限制基质。本书的第二章指出，已经研制出能够得到在稳定状态下相似结果的其它模式。当进水中氨的浓度多变时，使用其它模式，能够以进水中氮的浓度为函数，预估出出水中氨的浓度。
利用莫诺模式，把NH4+-N作为限制速率的营养，可得出：
N
μn＝(μn)max──── （4．13） Kn＋N 式中 μn—硝化菌的生长率（d-1）； (μn)max—硝化菌的最大生长率（d-1）； N—NH4＋-N的浓度（mg/L）； Kn—硝化的半速常数（mg/L）。
已经有资料表明，氨转化成亚硝酸盐时所产生的能量，大约为亚硝酸盐转化成硝酸盐时所产生的能量的三倍。因此，要想获得相同量的能，所处理的硝酸盐必须相当于亚硝酸盐的三倍。这一点有助于说明在生物处理系统中很少发现高浓度亚硝酸盐的原因。因此，在硝化中限制速度的步骤，就是亚硝化单胞菌把氨转化成亚硝酸盐的过程。这样，在方程式（4．13）中，我们就把生长率作为亚硝化单胞菌的生长率，用N和Kn的值来代表NH4+-N的浓度。
２６
有资料表明，在20℃时，亚硝化单胞菌和硝化杆菌的半速常数（Kn）都小于1mg/L。把它和所产生的能量联系起来就可以看出，硝化杆菌的生长率要大大地高于亚硝化单胞菌的生长率。
因此，我们可以这样说：（1）亚硝酸盐不会大量聚集；（2）把氨向亚硝酸盐的转化作为速率的限制因素，可以模拟出硝化菌的总生长过程。
方程式（4．14）能够把氨的氧化率与亚硝化单胞菌的生长率联系起来：
μn (qn)max N
qn＝──＝─── （────） （4．14） Yn Yn N＋Kn
式中 qn—氨的氧化率（mg被氧化的NH4+-N/mgVSS·d）； (qn)max—氨的最大氧化率（mg被氧化的NH4＋-N/mgVSS·d）； Yn—产量系数（mg生长的亚硝化单胞菌/mg被氧化的NH4＋-N）。
需要说明的是，在大多数情况下，硝化的半速常数（Kn）是很低的。虽然硝化率对微生物浓度来说是一级的，但对基质来说却是零级的。
4．3． 1 环境因素对动力学的影响
生物反应池内的环境条件对硝化动力学具有强烈的影响。人们关心的环境条件包括：温度、pH值、碱度、溶解氧、毒性和抑制性化合物。 温度：
温度既影响半速常数(Kn)值，又影响亚硝化单胞菌的生长率(μn)值，唐宁（Downing）曾估算出温度对半速常数的影响。
Kn＝100.051T-1.158 （4．15） 式中 Kn—半速常数（mg/L以N计）； T—温度（℃）。
唐宁还估算出了亚硝化单胞菌以温度为函数的最大生长率。根据纯培养液所得出的下述方程式与实验结果完全一致。
(μn)max＝ 0.47e 0.098(T-15) （4．16） 式中 (μn)max—亚硝化单胞菌的最大生长率（d-1）； T—温度（℃）。
查理（Charley）等人和昆兰（Quinlan）的研究结果表明，硝化的最佳温度大约为15℃，而温度变化对于亚硝化单胞菌和硝化杆菌的生长率的影响是不同的。当温度升高时，亚硝化单胞菌的生长率提高，而硝化杆菌的生长率则降低。这样，就导致了亚硝酸盐在硝化系统中的聚集所产生的潜在抑制性。 pH值：
显而易见，亚硝化单胞菌的生长率以至硝化率，都受到pH值的影响。一般一致的看法是，硝化的最佳pH值为7.2～8.8。当一个系统中的pH值降低到7.2以下时，亚硝化单胞菌的生
２７
长率就降低，应该注意的是，pH值对已驯化培养物的影响，比对未驯化培养物的影响要小得多。
唐宁等提出，当pH值小于7.2时：
μn＝(μn)max[1-0.833(7.2-pH)] （4．17） 当pH值为6.8时，方程式（4．17）所得出的亚硝化单胞菌的生长率为最大生长率的67％。 氧化沟基本上是完全混合式反应池，它对由于进水pH值变化所引起的pH值突变具有抗御能力。由于氧化沟的容积大，因此能够对反应池内的pH值变化产生明显的缓冲和稀释作用。 从方程式（4．12）中可以看出，在硝化过程中产生了大量的氢离子（H2CO3）。因此，即使污水的pH值超过7.0，如果在硝化后不保持足以提供所需缓冲能力的碱度，氧化沟中的pH值也会降到最佳值以下。
从下列公式可以得出正在运行的氧化沟的pH值： [H2CO3] pH＝pK1-Log───── (4．18)
- [HCO3] 式中 pK1—H2CO3电离常数的负对数值。
考虑到生物过程中有二氧化碳产生，可以根据亨利定律计算出H2C03的近似值。 有一种更实用的方法可以保证氧化沟中硝化所需的适当pH值，这就是使硝化后的氧化沟中残余碱度为100mg/L（以CaCO3 计）。 碱度：
碱度起着缓冲的作用，它把天然水系统中以及氧化沟中的pH值维持在中性附近。方程式（4．12）也表明碱度在硝化中的作用。从实用的角度出发，可假定每克被氧化的NH3-N消耗7.14g的碱度。
碱度是在污泥停留时间长的碳源BOD氧化过程中产生的。从麦卡蒂所得出的方程式中可以看出这一点。图4．1把在碳源BOD去除过程中所产生或消耗的碱度表示为污泥停留时间的函数，对应生长量和内源衰减系数的不同值。从图4．1中可以看出，在污泥停留时间长的情况下(这是氧化沟的特点)，去除每毫克BOD5，可以产生0.3mg的碱度。对于BOD5为220mg/L的进水来说，这就意味着大约产生60mg/L的碱度，这个值足以满足氧化9mgNH3-N/L的需要。 溶解氧：
有证据表明，溶解氧的浓度影响硝化率。大多数研究者认为，利用莫诺关系式，即： O2
μn＝(μn)max[────] （4．19 ） KO2＋O2 式中 O2—氧化沟中溶解氧浓度(mg/L)；
２８
KO2—氧的半速常数（mg/L）。
能够充分表达氧对硝化率的影响。氧的半速常数有许多建议值：从0.25到2.46mg/L。斯坦斯特洛姆（Stenstrom）和波杜卡（Poduka）提供了这些值的研究报告。
美国环境保护署和其它机构建议采用氧的半速常数值为1.3mg/L。当氧的半速常数为1.3mg／L时，如果溶解氧的浓度超过2mg/L，它对硝化率的影响就明显地停止了。有资料表明，在溶解氧浓度小于2.0mg/L时，氮有可能完全硝化，但这可能需要过长的污泥停留时间。正因为如此，在设计氧化沟时，通常使沟的需氧区域中的溶解氧等于或大于2.0mg/L。 抑制性化合物：
象其它生物系统一样，硝化过程会受到各种化合物的抑制性或毒性的影响，尤其是重金属、酚、硫脲及其衍生物和游离氧。有一位研究者发现，高浓度的溶解氧具有抑制性。氧化沟的完全混合特点，足以把毒性和抑制性的影响减小到最低程度，但是如果怀疑污水中可能存在着有毒或抑制性化合物时，最好进行小试或导试．以便找出影响硝化率的原因。
4．5．2 环境因素对硝化动力学的综合影响
前面已经指出，环境因素对硝化动力学具有明显的影响，而且对每种因素分别进行了讨论。这些影响可以用几个莫诺方程式相乘而综合起来，把方程式（4．13）、（4．17）和（4．19）合并起来，就得出：
N O2
μn＝(μn)max(───)(───)[1-0.833(7.2-pH)] （4．20） Kn＋N KO2＋O2
用方程式（4．15）替换Kn，用方程式（4．16）替换（μn）我们就可以把方程式（4．20）max，扩展为：
N O2 0.098(T-15) μn＝[0.47e]×[──────]×[────]×[1-0.833(7.2-pH)] （4．21） 0.51T-1.158 N＋10 KO2＋O2 这样，用方程式（4．21），我们就可以计算出在不同的温度、pH值、氨的含量和溶解氧的条件下的亚硝化单胞菌的生长率。
然后可以用方程式（4．14），以μn来表示硝化率（qn）： μn qn＝── Yn
4．4 硝化动力学在氧化沟设计中的应用
硝化动力学系应用于氧化沟的硝化设计。氧化沟通常设计成延时曝气系统，在这种系统中，不仅发生生物固体的稳定作用，而且发生硝化作用。本文所讨论的硝化动力学可在以下几个方面应用：
1．确定在pH值、溶解氧和温度都极为不利的情况下的设计污泥停留时间。 2．确定碳源BOD去除和硝化所许可的最小水力停留时间。
２９
3．确定剩余污泥率。
在本文讨论中，迄今一直认为硝化动力学是在硝化菌的纯培养液中发生的，这一假定显然不符合氧化沟的实际情况。流入氧化沟的污水中，含有大量的可生物降解的有机物质。因此，氧化沟中的微生物主要是以快速生长的异养菌组成的，只有少量硝化菌。
异养菌的细胞产量要比硝化菌高得多。这样，如果异养菌的生长率（μh）比硝化菌的生长率（μn）高得多的话，硝化菌就会从系统中冲洗出去。因此，要想维持一个硝化系统，就必须使：
μn≥μh （4．22） 由于已知：
1
θC＝── （4．23） μ
故可得出：
1
θCd≥θCm＝── （4．24） μn 式中 θcd—设计污泥停留时间（d）；
θcm—在设计环境条件下硝化所需最小污泥停留时间（d）。
在氧化沟中，温度、溶解氧、氨的含量和pH值，决定着硝化菌的生长率（μn），从而也决定着最小污泥停留时间（θcm）。既然θ
mc
决定于环境条件，为了控制氧化沟，使硝化得以发
d
生，就必须对异养菌的生长率（μh）或设计污泥停留时间（θc）加以调节。 我们在前面已经指出： 1 μh＝── ＝YU-kd （2．35）
d
θC
以及
S0-S
U＝──── （2．36） θX
从上述方程式中可明显看出，由于Y和kd是我们无法控制的系统常数，改变μh和θ变MLVSS（X）。
在氧化沟中，没有什么办法能够有选择地把异养菌或硝化菌由系统排除。因此，对于硝化菌和异养菌，其细胞排除率，以及污泥停留时间和生长率，都必须是相同的。
4．4． 1 安全系数
劳伦斯（Lawrence）和麦卡蒂在硝化系统的设计中使用了安全系数（S.F.）这个概念，安全
系数的确定方法是：
θCd
S.F.＝─── （4．25）
３０
dc
的
方法就只能是变更U。变更U的做法是改变反应池池容[从而改变水力停留时间(θ)]，或改