傳統(tǒng)的生物脫氮工藝基本原理是在二級(jí)生物處理過(guò)程中，先將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，再通過(guò)硝化菌和反硝化菌的作用將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，最終通過(guò)反硝化作用將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)馔瓿擅摰Ｒ驗(yàn)橄趸c反硝化反應(yīng)的進(jìn)行存在相互制約的關(guān)系；在有機(jī)物大量存在的情況下，自養(yǎng)硝化菌對(duì)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物的競(jìng)爭(zhēng)力不如好養(yǎng)異養(yǎng)菌，無(wú)法占據(jù)主導(dǎo)地位；反硝化需要有機(jī)物作為電子供體，但是硝化過(guò)程去除了大量的有機(jī)物，導(dǎo)致反硝化過(guò)程中碳源缺乏，所以為平衡兩單元的不同需求，發(fā)展出多種生物脫氮方法相結(jié)合的工藝。
傳統(tǒng)的生物脫氮工藝主要依靠調(diào)整工藝流程來(lái)緩解硝化菌反應(yīng)環(huán)境和反硝化菌反應(yīng)環(huán)境之間存在的矛盾。如果硝化反應(yīng)階段在前，則需要外加電子供體例如甲醇等物質(zhì)，提高了運(yùn)行費(fèi)用;如果硝化反應(yīng)階段在后，則需要將硝化廢水回流，容易產(chǎn)生污泥上浮并且需要提高回流比以獲得更高的去除率。這個(gè)矛盾在處理氨氮濃度較低的市政廢水中尚不明顯，但在處理垃圾滲濾液、畜牧廢水等高濃度氨氮廢水時(shí)，極大的限制了系統(tǒng)脫氮效率。
近年來(lái)通過(guò)理論研究和實(shí)踐創(chuàng)新，人們發(fā)現(xiàn)了一些與傳統(tǒng)生物脫氮理論相反的生物脫氮方法，如SND工藝、SHARON工藝、ANAMMOX工藝、SHARON-ANAMMOX組合工藝、OLAND工藝、CANON工藝。
1、同步硝化反硝化（SND）脫氮工藝
根據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮理論，脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個(gè)階段，硝化和反硝化兩個(gè)過(guò)程需要在兩個(gè)隔離的反應(yīng)器中進(jìn)行，或者在時(shí)間或空間上造成交替缺氧和好氧環(huán)境的同一個(gè)反應(yīng)器中；實(shí)際上，較早的時(shí)期，在一些沒(méi)有明顯的缺氧及厭氧段的活性污泥工藝中，人們就層多次觀察到氮的非同化損失現(xiàn)象，在曝氣系統(tǒng)中也曾多次觀察到氮的消失。在這些處理系統(tǒng)中，硝化和反硝化反應(yīng)往往發(fā)生在同樣的處理?xiàng)l件及同一處理空間內(nèi)，因此，這些現(xiàn)象被稱(chēng)為同步硝化/反硝化（SND）。
對(duì)于各種處理工藝中出現(xiàn)的SND現(xiàn)象已有大量的報(bào)道，包括生物轉(zhuǎn)盤(pán)、連續(xù)流反應(yīng)器以及序批示SBR反應(yīng)器等等。與傳統(tǒng)硝化-反硝化處理工藝比較，SND能有效地保持反應(yīng)器中pH穩(wěn)定，減少或取消堿度的投加；減少傳統(tǒng)反應(yīng)器的容積，節(jié)省基建費(fèi)用；對(duì)于僅由一個(gè)反應(yīng)池組成的序批示反應(yīng)器來(lái)講，SND能夠降低實(shí)現(xiàn)硝化-反硝化所需的時(shí)間；曝氣量的節(jié)省，能夠進(jìn)一步降低能耗。
因此SND系統(tǒng)提供了今后降低投資并簡(jiǎn)化生物除氮技術(shù)的可能性。
2、短程硝化脫氮（SHARON）工藝
SHARON工藝即短程硝化脫氮工藝，是荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)1997年提出開(kāi)發(fā)的新型生物脫氮工藝�；驹硎窃谕粋�(gè)反應(yīng)器內(nèi)，在有氧的條件下，自養(yǎng)型亞硝酸菌將NH3-N轉(zhuǎn)化為NO2-，然后在缺氧條件下，異養(yǎng)型反硝化菌以有機(jī)物為電子供體，以NO2-為電子受體，將NO2-轉(zhuǎn)化為N2。其理論基礎(chǔ)是亞硝酸型硝化反硝化技術(shù)，生化反應(yīng)可用下式表示
該工藝的關(guān)鍵是如何將氨氧控制在亞硝酸階段，并持久維持在較高濃度的亞硝酸鹽積累。
該工藝使用無(wú)需污泥停留的CSTR反應(yīng)器，在較短的HRT和30~40攝氏度的條件下，通過(guò)“洗泥”的方式進(jìn)行種群篩選，產(chǎn)生大量的亞硝酸菌。SHARON工藝適用于高濃度氨（500mg/L）廢水的處理，尤其適用于具有脫氨要求的預(yù)處理或旁路處理。該工藝與傳統(tǒng)工藝相比可節(jié)省供氧量25%，可節(jié)省反硝化碳源40%。
3、厭氧氨氧化（ANAMMOX）工藝
ANAMMOX工藝是荷蘭Delft大學(xué)1990年提出的一種新型脫氮工藝。在厭氧條件下，微生物以NH3-N為電子供體，NO2-為電子受體，把NH3-N、NO2-轉(zhuǎn)化為N2的過(guò)程。其生化反應(yīng)可由下式表示
厭氧氨氧化過(guò)程中起作用的微生物是ANAMMOX菌。該菌是專(zhuān)性厭氧化學(xué)無(wú)機(jī)自養(yǎng)細(xì)菌，生長(zhǎng)十分緩慢，在實(shí)驗(yàn)室的條件下世代期為2~3周，厭氧氨氧化過(guò)程的生物產(chǎn)量很低，相應(yīng)污泥產(chǎn)量也很低。
ANAMMOX工藝的影響因素主要集中在系統(tǒng)環(huán)境對(duì)ANAMMOX菌的抑制。主要影響因素包括反應(yīng)器的生物量、基質(zhì)濃度、ph值、溫度、水力停留時(shí)間和固體停留時(shí)間等。
該工藝相比傳統(tǒng)的脫氮過(guò)程，耗氧下降62.5%，不需要外加碳源，節(jié)約成本，不需調(diào)節(jié)ph值降低運(yùn)行費(fèi)用。但是也存在不足：工藝還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)實(shí)用化和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，ANAMMOX菌生長(zhǎng)緩慢，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，為保持反應(yīng)器內(nèi)足夠多的生物量，需要有效的截留污泥等。
4、亞硝酸型硝化-厭氧氨氧化脫氮（SHARON-ANAMMOX）技術(shù)
SHARON工藝可以通過(guò)控制溫度、水力停留時(shí)間、pH 等條件，使氨氧化控制在亞硝化階段。目前盡管SHARON工藝以好氧/厭氧的間歇運(yùn)行方式處理富氨廢水取得了較好的效果，但由于在反硝化期需要消耗有機(jī)碳源，并且出水濃度相對(duì)較高，因此目前很多研究改為以SHARON工藝作為硝化反應(yīng)器, 而ANAM MOX工藝作為反硝化反應(yīng)器進(jìn)行組合工藝的研究。通常情況下SHARON工藝可以控制部分硝化，使出水中的NH3-N與NO2-比例為 1∶1 , 從而可以作為ANAMMOX工藝的進(jìn)水，組成一個(gè)新型的生物脫氮工藝，其反應(yīng)如下式所示
SHARON -ANAM MOX的組合工藝具有耗氧量少、污泥產(chǎn)量少、不需外加碳源等優(yōu)點(diǎn)，是迄今為止最簡(jiǎn)捷的生物脫氮工藝，具有很好的應(yīng)用前景。
5、限制自養(yǎng)硝化反硝化（OLAND）工藝
根據(jù)亞硝酸型硝化—厭氧氨氧化脫氮技術(shù)原理,比利時(shí)Gent大學(xué)微生物生態(tài)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出OLAND工藝（限制自養(yǎng)硝化反硝化) ，具有耗氧量少、污泥產(chǎn)量少、不需外加碳源等優(yōu)點(diǎn)。
OLAND工藝是限氧亞硝化與厭氧氨氧化相耦聯(lián)的一種新穎的生物脫氮反應(yīng)工藝，該工藝分兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行：第一步是在限氧條件下將廢水中的部分氨氮氧化為亞硝酸鹽氮：第二步是在厭氧條件下亞硝酸鹽氮與剩余氨氮發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)(ANAMMOX)，從而去除含氮污染物。其機(jī)理是由亞硝化細(xì)菌對(duì)亞硝酸鹽氮催化進(jìn)行歧化反應(yīng)。總反應(yīng)式為：
該工藝的核心技術(shù)是在限養(yǎng)亞硝化階段通過(guò)嚴(yán)格控制溶解氧水平，將近50%的NH3-N轉(zhuǎn)化為NO2-，實(shí)現(xiàn)硝化階段穩(wěn)定的出水比例[NH3-N：NO2-=1:1]，從而為厭氧氨氧化階段提供理想的進(jìn)水，提高整個(gè)工藝的脫氮效率。
相比傳統(tǒng)工藝，OLAND工藝可以節(jié)省62.5%的耗氧量，不需要加入外加有機(jī)碳源，產(chǎn)生的污泥量也很少，可有效減低運(yùn)行成本。與SHARON-ANAMMOX組合工藝相比，可節(jié)省37.5%的能耗，在較低溫度（22~30攝氏度）仍可獲得較好的脫氮效果，在兩階段懸浮式生物膜脫氮系統(tǒng)中，內(nèi)浸式生物膜的加入克服了SHARON-ANAMMOX組合工藝中生物量流失的缺點(diǎn)，避免了硝化階段的微生物對(duì) 厭氧氨氧化階段微生物的影響，使反應(yīng)過(guò)程更加容易控制，增加了脫氮反應(yīng)過(guò)程的穩(wěn)定性。
OLAND工藝在混合菌群連續(xù)運(yùn)行的條件下尚難以對(duì)氧和污泥的pH值進(jìn)行良好的控制，若工藝運(yùn)行過(guò)程中可以通過(guò)化學(xué)計(jì)量方法合理地控制氧的供給則可有效地控制在亞硝化階段。同時(shí)，該工藝僅在生物膜系統(tǒng)中獲得了良好的效果，在懸浮系統(tǒng)中低氧下活性污泥的沉降性、污泥膨脹以及同步硝化反硝化等問(wèn)題仍有待于進(jìn)一步研究與完善。在實(shí)際應(yīng)用中，由于厭氧氨氧化階段的生物量生長(zhǎng)非常緩慢，同SHARON-ANAMMOX組合工藝一樣仍然存在著啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題(>=100 d)。
6、單級(jí)全程自養(yǎng)脫氮（CANON）工藝
1999年THIRD K A等首先提出，CANON是一種基于亞硝酸氮的單級(jí)全程自養(yǎng)脫氮工藝，其理論基礎(chǔ)是在一體化反應(yīng)器體系內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)半短程硝化與厭氧氨氧化反應(yīng)。在生物膜表面或顆粒污泥表面，由于處于低溶解氧環(huán)境，部分氨氮在氨氧化菌的作用下被氧化成亞硝酸氮；在生物膜內(nèi)部或顆粒污泥內(nèi)部，由于處于厭氧環(huán)境，產(chǎn)生的亞硝酸氮和剩余氨氮在厭氧氨氧化 菌的作用下反應(yīng)生成氮?dú)�，并產(chǎn)生很少量的硝酸氮，從而實(shí)現(xiàn)氨氮從廢水中的去除。
該工藝去除氨氮的影響因素有溫度、DO、ph值、水中游離氨（FA）、有機(jī)物、重金屬離子、重金屬沉淀物等。CANON工藝雖然革新了傳統(tǒng)生物脫氮的思路，但要大規(guī)模工程化還存在一些局限性。例如啟動(dòng)周期長(zhǎng)，厭氧氨氧化反應(yīng)階段的功能菌 AnAOB增殖緩慢，世代時(shí)間為7~14 d，是反硝化菌的幾十倍，因此富集培養(yǎng)困難，世界上第一個(gè)生產(chǎn)性裝置啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3.5年；其次溫度要求高，現(xiàn)已報(bào)道的CANON 工藝基本都是30 ℃以上，并不是所有廢水都能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，若加熱勢(shì)必會(huì)帶來(lái)能耗增加，運(yùn)行易失穩(wěn)，由于亞硝酸鹽積累而進(jìn)行排泥，結(jié)果降低了反應(yīng)器的生物質(zhì)濃度 造成系統(tǒng)失穩(wěn)；還會(huì)排放溫室氣體N2O。
CANON 工藝是迄今為止更為新型的生物脫氮方法，與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相較有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而有廣闊的應(yīng)用前景，目前CANON已逐步向?qū)嶋H工程推進(jìn)，但作為一項(xiàng)新型脫氮工藝，其還存在一些問(wèn)題尚需改進(jìn)與解決。
