尖端生物脫氮工藝概述。
傳統生物脫氮工藝的基本原理是先將有機氮轉化為氨氮，再通過硝化細菌和反硝化細菌的作用將氨氮轉化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，最后通過反硝化作用將硝酸鹽氮轉化為氮氣，完成脫氮。因為硝化和反硝化是相互制約的；在有機物量較大的情況下，自養硝化細菌在氧氣和營養物質上不如良種異養細菌有競爭力，不能占據優勢地位；反硝化需要有機物作為電子供體，但硝化過程去除了大量有機物，導致反硝化過程缺乏碳源。因此，為了平衡兩個單元的不同需求，已經開發了各種生物脫氮方法的組合。
傳統的生物脫氮工藝主要依靠調整工藝流程來緩解硝化細菌反應環境和反硝化細菌反應環境之間的矛盾。如果硝化反應階段提前，需要加入甲醇等電子給體，增加了運行成本；如果硝化反應階段較晚，硝化廢水需要回流，容易造成污泥上浮，需要增加回流比以獲得較高的去除率。這種矛盾在低氨氮濃度的城市污水處理中并不明顯，但在處理垃圾滲濾液、畜禽廢水等高氨氮廢水時，極大地限制了系統的脫氮效率。
近年來，通過理論研究和實踐創新，人們發現了一些與傳統生物脫氮理論相反的生物脫氮方法，如SND工藝、SHARON工藝、厭氧氨氧化工藝、SHARON-厭氧氨氧化組合工藝、奧蘭工藝和佳能工藝。
1.同步硝化反硝化(SND)脫氮工藝。
根據傳統的生物脫氮理論，脫氮途徑一般包括兩個階段:硝化和反硝化，需要在兩個隔離的反應器或同一反應器中進行，在時間或空間上造成缺氧和好氧環境的交替；事實上，在早期，在一些沒有明顯缺氧和厭氧階段的活性污泥工藝中，人們多次觀察到氮的不均勻流失現象，也多次觀察到曝氣系統中氮的消失。在這些處理系統中，硝化和反硝化往往發生在相同的處理條件和相同的處理空間中，因此這些現象被稱為同步硝化/反硝化(SND)。
在各種處理工藝中，包括生物轉盤、連續流反應器和序批式反應器中，已經有大量關于SND現象的報道。與傳統的硝化-反硝化工藝相比，SND能有效保持反應器內的pH值穩定，減少或取消堿度的加入；減少傳統反應器的體積，節約基建費用；對于只有一個反應池的序批式反應器，SND可以減少實現硝化-反硝化所需的時間，節省曝氣可以進一步降低能耗。
因此，SND系統為今后減少投資、簡化生物脫氮技術提供了可能。
2.短程硝化反硝化(SHARON)工藝。
SHARON工藝，即短程硝化反硝化工藝，是荷蘭代爾夫特理工大學于1997年提出并開發的一種新型生物脫氮工藝。基本原理是在同一個反應器中，自養亞硝化菌在好氧條件下將NH3-N轉化為NO2-，然后異養反硝化菌在缺氧條件下以有機物為電子供體，NO2-為電子受體，將NO2-轉化為N2。其理論基礎是亞硝酸鹽硝化反硝化技術，生化反應可用下式表示。
這一過程的關鍵是如何控制亞硝酸鹽階段的氨和氧，使亞硝酸鹽長期保持較高的濃度積累。
該工藝采用無污泥滯留的CSTR反應器，在較短的水力停留時間和30~40℃的條件下，通過“沖洗污泥”進行種群篩選，產生大量的亞硝酸鹽細菌。SHARON工藝適用于高濃度氨氮(500毫克/升)廢水的處理，尤其適用于有脫氨要求的預處理或旁路處理。與傳統工藝相比，該工藝可節約25%的供氧和40%的反硝化碳源。
3.厭氧氨氧化工藝。
厭氧氨氧化工藝是荷蘭代爾夫特大學于1990年提出的一種新型脫氮工藝。在厭氧條件下，微生物利用NH3-N作為電子供體，NO2-作為電子受體，將NH3-N和NO2-轉化為N2。它的生化反應可以用下面的公式表示。
厭氧氨氧化細菌在厭氧氨氧化中起作用。該菌株是一種具有特殊厭氧氧化的無機自養細菌，生長非常緩慢。在實驗室條件下，世代周期為2~3周。厭氧氨氧化工藝的生物產量很低，相應的污泥產量也很低。
厭氧氨氧化過程的主要影響因素是系統環境對厭氧氨氧化細菌的抑制。主要影響因素包括生物量、底物濃度、ph值、溫度、水力停留時間和固體停留時間。
與傳統脫氮工藝相比，該工藝的耗氧量降低了62.5%，不需要額外的碳源，在不調整ph值的情況下，節約了成本，降低了運行成本。但也存在一些缺點:該工藝長期未投入實際使用，運行不穩定，厭氧氨氧化菌生長緩慢，啟動時間長，為了保持反應器內足夠的生物量，需要有效攔截污泥。
4.亞硝酸鹽硝化-厭氧氨氧化反硝化(SHARON-ANAMOX)技術。
沙龍工藝可以通過控制溫度、水力停留時間、酸堿度等條件來控制亞硝化階段的氨氧化。目前，雖然SHARON工藝在好氧/厭氧間歇運行模式下處理富氨廢水取得了較好的效果，但由于反硝化階段消耗有機碳源和出水濃度相對較高，許多研究將SHARON工藝改為硝化反應器，將厭氧氨氧化工藝改為反硝化反應器進行組合工藝研究。通常SHARON工藝可以控制部分硝化，使出水NH3-N與NO2-的比例為1∶1，可以作為厭氧氨氧化工藝的進水，形成新的生物脫氮工藝，其反應如下式所示。
沙倫-厭氧氨氧化組合工藝具有耗氧少、產泥量少、無需外加碳源等優點，是目前最簡單的生物脫氮工藝，具有良好的應用前景。
5.限制性自養硝化反硝化(OLAND)工藝。
根據亞硝酸鹽硝化-厭氧氨氧化反硝化技術原理，比利時根特大學微生物生態實驗室開發了OLAND工藝(有限自養硝化反硝化)，該工藝具有耗氧少、產泥量少、不需要外部碳源等優點。
奧蘭德工藝是一種新型的生物脫氮反應工藝，結合了限氧亞硝化和厭氧氨氧化。該工藝分為兩個過程:第一步，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進行厭氧氨氧化反應，從而去除含氮污染物。其機理是硝化細菌催化亞硝酸氮歧化。總反應公式為:
該工藝的核心技術是通過嚴格控制有限硝化階段的溶解氧水平，將近50%的NH3-N轉化為NO2-，使硝化階段達到穩定的出水比例[NH3-N:NO2-=1:1]，從而為厭氧氨氧化階段提供理想的進水，提高整個工藝的脫氮效率。
與傳統工藝相比，OLAND工藝可節省62.5%的耗氧量，不需要添加額外的有機碳源，產生的污泥少，可有效降低運行成本。與SHARON-厭氧氨氧化組合工藝相比，可節約能耗37.5%，在較低溫度(22~30℃)下仍能獲得較好的脫氮效果。在兩級懸浮生物膜反硝化系統中，浸沒式生物膜的加入克服了SHARON-ANAMOX組合工藝中生物量損失的缺點，避免了硝化階段微生物對厭氧氨氧化階段微生物的影響，使反應過程更容易控制。
OLAND工藝在混合菌群連續運行的情況下，仍然難以控制氧氣和污泥的pH值。如果在工藝操作過程中，可以通過化學計量方法合理控制氧氣的供應，那么在亞硝化階段就可以有效控制。同時，該工藝僅在生物膜系統中取得了較好的效果，在低氧條件下懸浮系統中的活性污泥沉降、污泥膨脹和同步硝化反硝化等問題仍需進一步研究和改進。在實際應用中，厭氧氨氧化階段的生物量增長非常緩慢，因此仍以SHARON-ANAMMOX組合工藝存在。
