生物脫氮是指在微生物的聯合作用下，污水中的有機氮及氨氮經過代謝轉化為氮氣的過程。其具有經濟、有效、易操作、無二次污染等特，被公認為具有發展前途的方法。

一、傳統生物脫氮法

傳統的生物脫氮技術始于上世紀30年代，真正應用于20世紀70年代。自Barth三段生物脫氮工藝的開創，A/O工藝、序批式工藝等脫氮工藝相繼被提出并應用于工程實際。

三段生物脫氮工藝


三段生物脫氮工藝流程如圖所示，該工藝是將有機物降解、硝化作用以及反硝化作用三個階段獨立開來，每一階段后面都有各自獨立的沉淀池和污泥回流系統。第一段曝氣池的主要作用是代謝分解有機物，并使有機氮氨化。第二段硝化池主要進行硝化反應，將氨氮氧化，同時需投加堿度以維持一定的pH值。第三段是反硝化反應器，硝態氮在缺氧條件下被還原為N2，安裝攪拌裝置使污泥混合液呈懸碳源以滿足浮狀態，并外加反硝化反應所需的碳源。

A/O生物脫氮工藝


A/O 生物脫氮工藝如圖所示，該工藝將缺氧段置于系統前端，其發生反硝化反應產生的堿度能夠少量補充硝化反應之需。另外，缺氧池中反硝化反應利用原廢水中的有機物為碳源可以減少補充碳源的投加甚至不加。通過內循環將硝化反應產生的硝態氮轉移到缺氧池進行反硝化反應，硝態氮中氧作為電子受體，供給反硝化菌的呼吸作用和生命活動，并完成脫氮工序。

在 A/O 生物脫氮工藝中，硝化液回流比對系統的脫氮效果影響很大。若回流比控制過低，則無法提供充足的硝態氮進行反應，使硝化作用不完全，進而影響脫氮效果；若控制過高，則導致硝化液與反硝化菌接觸時間減短，從而降低脫氮效率。因此，在實際的運行過程中需要控制適當的硝化液回流比，使系統脫氮效果達到最佳水平。

序批式脫氮工藝（例如CASS）

序批式脫氮工藝與A/O工藝相比，其運行方式有所不同，但在脫氮反應機理上基本與A/O生物脫氮工藝一致。序批式工藝為間歇的運行方式，采用一個獨立的反應池替代了傳統的由多個具有不同功能的反應區組合而成的A/O生物脫氮反應器。序批式脫氮工藝以時間的交替方式實現了缺氧/好氧環境，取代了傳統空間上的缺氧/好氧，因其具有簡單的結構和靈活的操作方式而倍受研究者的關注和研究。

二、新型生物脫氮法

近年來國內外出現了一些全新的脫氮工藝，為高濃度氨氮廢水的脫氮處理提供了新的途徑。主要有短程硝化反硝化、好氧反硝化和厭氧氨氧化。

1、短程硝化反硝化

1975年Voets等在處理高濃度氨氮廢水的研究中，發現了硝化過程中NO2--N積累的現象，首次提出了短程硝化反硝化脫氮的概念。如圖所示。


由于氨氮氧化過程中需要大量的氧氣，曝氣費用成為這種脫氮方式的主要開支。短程硝化反硝化(將氨氮氧化至亞硝酸鹽氮即進行反硝化)，不僅可以節省氨氧化需氧量而且可以節省反硝化所需炭源。Ruiza等用合成廢水(模擬含高濃度氨氮的工業廢水)試驗確定實現亞硝酸鹽積累的最佳條件。要想實現亞硝酸鹽積累，pH不是一個關鍵的控制參數，因為pH在6.45～8.95時，全部硝化生成硝酸鹽，在pH<6.45或pH>8.95時發生硝化受抑，氨氮積累。當DO=0.7mg/L時，可以實現65%的氨氮以亞硝酸鹽的形式積累并且氨氮轉化率在98%以上。DO<0.5mg/L時發生氨氮積累，DO>1.7mg/L時全部硝化生成硝酸鹽。劉俊新等對低碳氮比的高濃度氨氮廢水采用亞硝玻型和硝酸型脫氮的效果進行了對比分析。試驗結果表明，亞硝酸型脫氮可明顯提高總氮去除效率，氨氮和硝態氮負荷可提高近1倍。此外，pH和氨氮濃度等因素對脫氮類型具有重要影響。

短程硝化反硝化處理焦化廢水的中試結果表明，進水COD、氨氮、TN 和酚的濃度分別為1201.6、510.4、540.1、110.4mg/L時，出水COD、氨氮、TN和酚的平均濃度分別為197.1、14.2、181.5、0.4mg/L，相應的去除率分別為83.6%、97.2%、66.4%、99.6%。與常規生物脫氮工藝相比，該工藝氨氮負荷高，在較低的C/N值條件下可使TN去除率提高。

2、厭氧氨氧化(ANAMMOX)

厭氧氨氧化（ANAMMOX）是指在厭氧條件下氨氮以亞硝酸鹽為電子受體直接被氧化成氮氣的過程。

ANAMMOX的生化反應式為：

NH4 NO2-→N2↑ 2H2O

ANAMMOX菌是專性厭氧自養菌，因而非常適合處理含NO2-、低C/N的氨氮廢水。與傳統工藝相比，基于厭氧氨氧化的脫氮方式工藝流程簡單，不需要外加有機炭源，防止二次污染，又很好的應用前景。厭氧氨氧化的應用主要有兩種：CANON工藝和與中溫亞硝化(SHARON)結合，構成SHARON-ANAMMOX聯合工藝。

3、全程自養脫氮(CANON)

CANON工藝是在限氧的條件下，利用完全自養性微生物將氨氮和亞硝酸鹽同時去除的一種方法，從反應形式上看，它是SHARON和ANAMMOX工藝的結合，在同一個反應器中進行。孟了等發現深圳市下坪固體廢棄物填埋場滲濾液處理廠，溶解氧控制在1mg/L左右，進水氨氮<800 mg/L，氨氮負荷<0.46kg，NH4/(m3?d)的條件下，可以利用SBR反應器實現CANON工藝，氨氮的去除率>95%，總氮的去除率>90%。

Sliekers等的研究表明ANAMMOX和CANON過程都可以在氣提式反應器中運轉良好，并且達到很高的氮轉化速率。控制溶解氧在0.5mg/L左右，在氣提式反應器中，ANAMMOX過程的脫氮速率達到8.9kgN/(m3?d)，而CANON過程可以達到1.5kgN/(m3?d)。

4、同步硝化反硝化（SND）

根據傳統生物脫氮理論，脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個階段，硝化和反硝化兩個過程需要在兩個隔離的反應器中進行，或者在時間或空間上造成交替缺氧和好氧環境的同一個反應器中；實際上，較早的時期，在一些沒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象，在曝氣系統中也曾多次觀察到氮的消失。

在這些處理系統中，硝化和反硝化反應往往發生在同樣的處理條件及同一處理空間內，因此，這些現象被稱為同步硝化/反硝化（SND）。目前同步硝化反硝化的的代表工藝是MBBR。

5、好氧反硝化

傳統脫氮理論認為，反硝化菌為兼性厭氧菌，其呼吸鏈在有氧條件下以氧氣為終末電子受體在缺氧條件下以硝酸根為終末電子受體。所以若進行反硝化反應，必須在缺氧環境下。近年來，好氧反硝化現象不斷被發現和報道，逐漸受到人們的關注。一些好氧反硝化菌已經被分離出來，有些可以同時進行好氧反硝化和異養硝化(如Robertson等分離、篩選出的Tpantotropha.LMD82.5)。這樣就可以在同一個反應器中實現真正意義上的同步硝化反硝化，簡化了工藝流程，節省了能量。

序批式反應器處理氨氮廢水，試驗結果驗證了好氧反硝化的存在，好氧反硝化脫氮能力隨混合液溶解氧濃度的提高而降低，當溶解氧濃度為0.5mg/L時，總氮去除率可達到66.0%。

連續動態試驗研究表明，對于高濃度氨氮滲濾液，普通活性污泥達的好氧反硝化工藝的總氮去除串可達10%以上。硝化反應速率隨著溶解氧濃度的降低而下降;反硝化反應速率隨著溶解氧濃度的降低而上升。硝化及反硝化的動力學分析表明，在溶解氧為0.14mg/L左右時會出現硝化速率和反硝化速率相等的同步硝化反硝化現象。其速率為4.7mg/(L?h)，硝化反應KN=0.37mg/L;反硝化反應KD=0.48mg/L。

在反硝化過程中會產生N2O是一種溫室氣體，產生新的污染，其相關機制研究還不夠深入，許多工藝仍在實驗室階段，需要進一步研究才能有效地應用于實際工程中。另外，還有諸如全程自養脫氮工藝、同步硝化反硝化等工藝仍處在試驗研究階段，都有很好的應用前景。