질산화는 암모니아가 생물학적으로 중간산물인 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 산화되는 것이다. 이 과정에서 중요한 역할을 담당하는 세균은 Nitrosomonas와 Nitrobacter이다. 이들 세균은 독립영양계로서, 유기물을 산화하여 에너지를 얻는 종속영양세균과는 달리 무기질소 화합물을 산화하여 성장에 필요한 에너지를 얻는 생리적 특성을 가지고 있으며, 또한 유기성 탄소보다는 이산화탄소를 이용하여 성장에 필요한 세포성분을 합성한다.

(1) 생화학

암모니아는 Nitrosomonas에 의해 먼저 아질산(NO2-)으로 산화된 후, 이어서 Nitrobacter에 의해 질산(NO3-)으로 산화되며, 이때 일어나는 이론적 반응식은 다음과 같다.

Nitrification

NH+4＋O2 → NO2-＋2H+＋H2O (2-4)

NO2- 1/2＋O2 → NO3- (2-5)

NH+4＋2O2 → NO3-＋2H+＋H2O (overall) (2-6)

위의 두 세균 중 Nitrosomonas의 증식 속도가 Nitrobacter보다 훨씬 낮아 전체 질산화반응은 Nitrosomonas의 반응에 의해 제한된다.

Painter(1976)는 1mole의 암모니아를 산화시키는데 66-84kcal의 에너지가, 1mole의 아질산을 산화시키는데 17.5kcal의 에너지가 각각 방출된다고 보고하였다. 그러므로 Nitrosomonas는 Nitrobacter보다 1mole의 질소를 산화하는데 더 많은 에너지를 얻게 된다. 만약 단위에너지당 합성되는 세포가 일정하다고 가정하면, Nitrosomonas는 Nitrobacter보다 훨씬 많은 세포를 합성하게 된다. 세포합성을 위한 동화작용(assimilation)을 나타낸 반응식들은 아래와 같다.

23HCO3-＋13NH4+ → 10NO2-＋3C5H7O2N＋8H2CO3＋19H2O(2-7)

4H2CO3＋NH4+＋10NO2- → 10NO3-＋C5H7O2N＋3H2O(2-8)

에너지 생산에 관한 화학식과 세포합성에 관한 화학식을 합쳐서 질산화균에 대한 종합적인 합성-산화 반응을 아래와 같은 화학식으로 나타낼수 있는데, 이 식은 Nitrosomonas와 Nitrobacter의 세포합성과 산소소비량를 측정하는데 이용된다.

109HCO3-＋55NH4+＋76O2 → 54NO2-＋C5H7O2N＋104H2CO3＋57H2O (2-9)

4H2CO3＋NH4+＋400NO2-＋196O2 → 400NO3-＋C5H7O2N＋3H2O(2-10)

식(2-9)과 식(2-10)을 합하여 전체적인 합성과 산화에 대한 식을 나타내면 아래와 같다.

NH4+＋1.83O2＋1.98HCO3- →

0.98NO3- ＋ 0.021C5H7O2N ＋ 1.88H2CO3 ＋ 1.04H2O(2-11)

식(2-9)과 식(2-10)에 따라 세포합성량을 계산하면 Nitrosomonas는 NH3-N 1mg에 대하여 0.15mg의 세포가 합성되며, Nitrobacter는 NO2-N 1mg에 대하여 0.02mg의 세포가 합성된다. Nitrosomonas와 Nitrobacter에 대한 실험적인 세포합성계수(yield coefficients)값은 각각 0.05-0.29 gVSS/gNH3-N, 0.02 gVSS/gNO2-N으로 보고되었다. 통상 질산화공정 설계시 전체 질산화균의 세포생성계수는 0.15 gVSS /gNH3-N의 값을 사용한다.

식(2-11)에서 보는 바와 같이 암모니아가 질산화균에 의해 산화되면서 알카리도 및 산소가 소비된다. 세포합성에 사용된 알카리도 및 산소는 극히 적으므로 이를 무시하면 1mg 암모니아가 산화되는데 소비되는 알카리도 및 산소의 양은 각각 7.14mg(as CaCO3) 및 4.57mg O2이며, 이 수치가 질산화 공정 보통 사용된다.