尖端生物脱氮工艺概述。
传统生物脱氮工艺的基本原理是先将有机氮转化为氨氮，再通过硝化细菌和反硝化细菌的作用将氨氮转化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，最后通过反硝化作用将硝酸盐氮转化为氮气，完成脱氮。因为硝化和反硝化是相互制约的；在有机物量较大的情况下，自养硝化细菌在氧气和营养物质上不如良种异养细菌有竞争力，不能占据优势地位；反硝化需要有机物作为电子供体，但硝化过程去除了大量有机物，导致反硝化过程缺乏碳源。因此，为了平衡两个单元的不同需求，已经开发了各种生物脱氮方法的组合。
传统的生物脱氮工艺主要依靠调整工艺流程来缓解硝化细菌反应环境和反硝化细菌反应环境之间的矛盾。如果硝化反应阶段提前，需要加入甲醇等电子给体，增加了运行成本；如果硝化反应阶段较晚，硝化废水需要回流，容易造成污泥上浮，需要增加回流比以获得较高的去除率。这种矛盾在低氨氮浓度的城市污水处理中并不明显，但在处理垃圾渗滤液、畜禽废水等高氨氮废水时，极大地限制了系统的脱氮效率。
近年来，通过理论研究和实践创新，人们发现了一些与传统生物脱氮理论相反的生物脱氮方法，如SND工艺、SHARON工艺、厌氧氨氧化工艺、SHARON-厌氧氨氧化组合工艺、奥兰工艺和佳能工艺。
1.同步硝化反硝化(SND)脱氮工艺。
根据传统的生物脱氮理论，脱氮途径一般包括两个阶段:硝化和反硝化，需要在两个隔离的反应器或同一反应器中进行，在时间或空间上造成缺氧和好氧环境的交替；事实上，在早期，在一些没有明显缺氧和厌氧阶段的活性污泥工艺中，人们多次观察到氮的不均匀流失现象，也多次观察到曝气系统中氮的消失。在这些处理系统中，硝化和反硝化往往发生在相同的处理条件和相同的处理空间中，因此这些现象被称为同步硝化/反硝化(SND)。
在各种处理工艺中，包括生物转盘、连续流反应器和序批式反应器中，已经有大量关于SND现象的报道。与传统的硝化-反硝化工艺相比，SND能有效保持反应器内的pH值稳定，减少或取消碱度的加入；减少传统反应器的体积，节约基建费用；对于只有一个反应池的序批式反应器，SND可以减少实现硝化-反硝化所需的时间，节省曝气可以进一步降低能耗。
因此，SND系统为今后减少投资、简化生物脱氮技术提供了可能。
2.短程硝化反硝化(SHARON)工艺。
SHARON工艺，即短程硝化反硝化工艺，是荷兰代尔夫特理工大学于1997年提出并开发的一种新型生物脱氮工艺。基本原理是在同一个反应器中，自养亚硝化菌在好氧条件下将NH3-N转化为NO2-，然后异养反硝化菌在缺氧条件下以有机物为电子供体，NO2-为电子受体，将NO2-转化为N2。其理论基础是亚硝酸盐硝化反硝化技术，生化反应可用下式表示。
这一过程的关键是如何控制亚硝酸盐阶段的氨和氧，使亚硝酸盐长期保持较高的浓度积累。
该工艺采用无污泥滞留的CSTR反应器，在较短的水力停留时间和30~40℃的条件下，通过“冲洗污泥”进行种群筛选，产生大量的亚硝酸盐细菌。SHARON工艺适用于高浓度氨氮(500毫克/升)废水的处理，尤其适用于有脱氨要求的预处理或旁路处理。与传统工艺相比，该工艺可节约25%的供氧和40%的反硝化碳源。
3.厌氧氨氧化工艺。
厌氧氨氧化工艺是荷兰代尔夫特大学于1990年提出的一种新型脱氮工艺。在厌氧条件下，微生物利用NH3-N作为电子供体，NO2-作为电子受体，将NH3-N和NO2-转化为N2。它的生化反应可以用下面的公式表示。
厌氧氨氧化细菌在厌氧氨氧化中起作用。该菌株是一种具有特殊厌氧氧化的无机自养细菌，生长非常缓慢。在实验室条件下，世代周期为2~3周。厌氧氨氧化工艺的生物产量很低，相应的污泥产量也很低。
厌氧氨氧化过程的主要影响因素是系统环境对厌氧氨氧化细菌的抑制。主要影响因素包括生物量、底物浓度、ph值、温度、水力停留时间和固体停留时间。
与传统脱氮工艺相比，该工艺的耗氧量降低了62.5%，不需要额外的碳源，在不调整ph值的情况下，节约了成本，降低了运行成本。但也存在一些缺点:该工艺长期未投入实际使用，运行不稳定，厌氧氨氧化菌生长缓慢，启动时间长，为了保持反应器内足够的生物量，需要有效拦截污泥。
4.亚硝酸盐硝化-厌氧氨氧化反硝化(SHARON-ANAMOX)技术。
沙龙工艺可以通过控制温度、水力停留时间、酸碱度等条件来控制亚硝化阶段的氨氧化。目前，虽然SHARON工艺在好氧/厌氧间歇运行模式下处理富氨废水取得了较好的效果，但由于反硝化阶段消耗有机碳源和出水浓度相对较高，许多研究将SHARON工艺改为硝化反应器，将厌氧氨氧化工艺改为反硝化反应器进行组合工艺研究。通常SHARON工艺可以控制部分硝化，使出水NH3-N与NO2-的比例为1∶1，可以作为厌氧氨氧化工艺的进水，形成新的生物脱氮工艺，其反应如下式所示。
沙伦-厌氧氨氧化组合工艺具有耗氧少、产泥量少、无需外加碳源等优点，是目前最简单的生物脱氮工艺，具有良好的应用前景。
5.限制性自养硝化反硝化(OLAND)工艺。
根据亚硝酸盐硝化-厌氧氨氧化反硝化技术原理，比利时根特大学微生物生态实验室开发了OLAND工艺(有限自养硝化反硝化)，该工艺具有耗氧少、产泥量少、不需要外部碳源等优点。
奥兰德工艺是一种新型的生物脱氮反应工艺，结合了限氧亚硝化和厌氧氨氧化。该工艺分为两个过程:第一步，在限氧条件下，将废水中的部分氨氮氧化为亚硝酸盐氮；第二步是在厌氧条件下，亚硝酸盐氮与剩余氨氮进行厌氧氨氧化反应，从而去除含氮污染物。其机理是硝化细菌催化亚硝酸氮歧化。总反应公式为:
该工艺的核心技术是通过严格控制有限硝化阶段的溶解氧水平，将近50%的NH3-N转化为NO2-，使硝化阶段达到稳定的出水比例[NH3-N:NO2-=1:1]，从而为厌氧氨氧化阶段提供理想的进水，提高整个工艺的脱氮效率。
与传统工艺相比，OLAND工艺可节省62.5%的耗氧量，不需要添加额外的有机碳源，产生的污泥少，可有效降低运行成本。与SHARON-厌氧氨氧化组合工艺相比，可节约能耗37.5%，在较低温度(22~30℃)下仍能获得较好的脱氮效果。在两级悬浮生物膜反硝化系统中，浸没式生物膜的加入克服了SHARON-ANAMOX组合工艺中生物量损失的缺点，避免了硝化阶段微生物对厌氧氨氧化阶段微生物的影响，使反应过程更容易控制。
OLAND工艺在混合菌群连续运行的情况下，仍然难以控制氧气和污泥的pH值。如果在工艺操作过程中，可以通过化学计量方法合理控制氧气的供应，那么在亚硝化阶段就可以有效控制。同时，该工艺仅在生物膜系统中取得了较好的效果，在低氧条件下悬浮系统中的活性污泥沉降、污泥膨胀和同步硝化反硝化等问题仍需进一步研究和改进。在实际应用中，厌氧氨氧化阶段的生物量增长非常缓慢，因此仍以SHARON-ANAMMOX组合工艺存在。
