Quá trình Nitrat hoá được thực hiện nhờ vào hai nhóm vi sinh vật: Nitrosomonas và Nitrobacter. Đây là vi sinh vật tự dưỡng hoá năng vì chúng nhận được năng lượng cho sự sinh trưởng và tổng hợp tế bào phần lớn là từ quá trình oxy hoá các hợp chất cacbon vô cơ (HCO3- là chính) và Nitơ vô cơ. Ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh oxy (Vi khuẩn hiếu khí).

Cả hai nhóm vi sinh vật này đều có những yêu cầu khá đặc trưng đối với các các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, oxy hoà tan (DO); và chúng có tốc độ tăng sinh khối ở mức thấp hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng. Nitrosomonas chỉ có thế oxy hoá NH4+ thành NO2-, sau đó Nitrobacter làm chức năng chuyển hoá NO2- thành NO3-.

Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học với sự tham gia của vi sinh vật được viết như sau:

Như vậy:

1 mol NH4+ tiêu thụ 2 mol O2

1 g N-NH4+ tiêu thụ 4,57 g O2

1 mol NH4+ tạo thành 1 mol NO3-

1 mol NH4+ tạo thành 2 mol H+.

Lượng H+ tạo ra phản ứng với độ kiềm HCO3-, như vậy:

1g N-NH4+ tiêu thụ 7,14 g độ kiềm (quy về CaCO3).

Các phương trình không tính đến quá trình sinh tổng hợp. Nếu tính cả các quá trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn) ta có:

1,02NH4 + 1,89O2 + 2,02HCO3- => 0,021C5H7O2N + 1,00NO3- + 1,92H2CO3 + 1,06H2O

Như vậy:

1 gam N-NH4+ tiêu thụ 4,3 g O2

1 gam N-NH4+ tiêu thụ 7,2 g độ kiềm (quy về CaCO3).

Từ phương trình ta có thể thấy điều kiện cơ bản cho quá trình Nitrat hoá là phải đảm bảo độ kiềm cho vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hoá.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hoá

+ Ảnh hưởng của pH tới quá trình nitrat hoá

Thực nghiệm cho thấy pH có ảnh hưởng lớn đến quá trình nitrat hoá. Nghiên cứu của Grady và Lim (1980), cho thấy vi khuẩn nitrat hoá rất nhạy cảm với pH, đối với Nitrosomonas có dải pH tối thích từ 7,0 đến 8,0. Và đối với Nitrobacter là từ 7,5 đến 8,0. Nhưng bên cạnh đó nghiên cứu của Skadsen và cộng sự (1996) lại cho thấy một số loài có thể thích hợp ở mức pH > 9. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu cho rằng khoảng pH thích hợp cho quá trình nitrat hoá là pH = 7,0 - 8,5.

+ Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình nitrat hoá

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của quá trình nitrat hoá. Tốc độ tăng trưởng tế bào tăng khi tăng nhiệt độ đến giá trị giới hạn khoảng 35 0C. Nếu nhiệt độ quá cao (> 35 0C) sẽ làm giảm hoạt tính của vi sinh, gây ức chế hoạt động và có khi gây chết vi sinh vật. Khoảng nhiệt độ có thể ứng dụng được là 5 – 35 0C, khoảng tối ưu là 30 – 35 0C.

+ Ảnh hưởng của các chất độc tới sự phát triển của vi khuẩn nitrat hoá

So với các vi khuẩn dị dưỡng, các vi khuẩn tự dưỡng nitrat hoá nhạy cảm với nhiều kim loại nặng và hóa chất.

+ Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ tới quá trình nitrat hoá.

Turk, O., và Mavinic, D.S. (1986) đã chỉ ra rằng các quá trình oxy hoá nitrit bị ức chế khi nồng độ NH3 đạt 0,1 - 1 mg/l và ở nồng độ NH3 từ 5 - 20 mg/l, quá trình oxi hóa NH4+ cũng bị ức chế.

Tuy nhiên, Ford cùng nhóm nghiên cứu (1980) lại cho số liệu về nồng độ gây ức chế quá trình ôxi hóa nitrit cao hơn nhiều (10 - 150 mg NH3/l). Sự có mặt của NO2- và pH thấp sinh ra HNO2 không phân li, đây là tác nhân gây ức chế quá trình ôxy hoá nitrit.

Alleman (1985) cho thấy khi nồng độ nitrit cao tới 27 mg/l thì Nitrobacter bị ức chế mạnh hơn Nitrosomonas. Alleman cũng cho rằng nhiệt độ thấp, ôxy hoà tan (DO) thiếu và CO2 cao, sự có mặt của NH3 tự do và dư lượng bùn làm giảm tốc độ phát triển của Nitrobacter và kéo theo sự giảm oxi hóa nitrit.

Ngoài ra, sốc amoni và sự khử nitrat có thể gây ra sự tích luỹ chất độc NO2-. Đó là do Nitrosomonas ít nhạy cảm hơn đối với sốc NH3 và nhanh thích nghi hơn Nitrobacter dẫn tới sự tích luỹ nitrit trong hệ.