硝化作用是指异养微生物进行氨化作用产生的氨，被微生物氧化成亚硝酸，再氧化成硝酸的过程。这个过程由自养型细菌分阶段完成，第一阶段为亚硝化，即钱根((NH4+)氧化为亚硝酸根((N02-)的阶段，参与这个阶段活动的主要为亚硝酸细菌;第二阶段为硝化，即亚硝酸根氧化为硝酸根(NO3-)的阶段，参与这个阶段活动的细菌以硝酸细菌为主。硝化细菌和亚硝化细菌两类菌均为专性好气菌，在氧化过程中均以氧作为最终电子受体。硝化菌(自养细菌)的生长量和最大繁殖速率与好氧异养菌的关系不大。硝化菌增长速度缓慢，要求在反应器中有较长的停留时间，在生物膜反应器中.最好利用相关菌种直接接种。最佳的反应器条件是:有较大的比表面积供生物膜生长、大的介质和孔隙率(以减少剪力损失和堵塞)、足够的溶解氧(DO)，因为把lg氨氮氧化成硝酸盐需要约4. 5g的氧。
硝化菌和异养菌也可能有互利的作用。繁殖过程中形成的有机产物和硝化菌可作为好氧异养菌的主要基质。水处理过程中的低有机碳浓度及硝化菌的活性，实际上可以促进异养菌的生长，并通过辅助利用促进微量有机污染物的降解。这一点在实验性生物膜反应器中己得到验证，该反应器在硝化作用下己经达到一年多的稳定的去除率。间歇提供给微生物膜的微量醋酸盐被氧化成C0-,。进水浓度为2 5 g/L左右时，酚和氯苯的去除率分别达到50%-75%。这些初步的研究结果表明，硝化作用使得异养菌活性得到发展并增加了微量有机化合物的去除。
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