生物脫氮包括硝化和反硝化兩個反應過程，第一步是由亞硝化菌將NH4+-N氧化為NO2--N的亞硝化過程；第二步是由硝化菌將NO2--N氧化為氧化為NO3--N的過程；然后通過反硝化作用將產(chǎn)生的NO3—N經(jīng)由NO2--N轉化為N2，NO2--N是硝化和反硝化過程的中間產(chǎn)物。1975年Voets等在處理高濃度氨氮廢水的研究中，發(fā)現(xiàn)了硝化過程中NO2--N積累的現(xiàn)象，首次提出了短程硝化反硝化脫氮的概念。如圖1所示。
比較兩種途徑，很明顯，短程硝化反硝化比全程硝化反硝化減少了NO2-、NO3-和NO3- 、NO2-兩步反應，這使得短程硝化反硝化生物脫氮具有以下優(yōu)點：
1、可節(jié)約供氧量25%。節(jié)省了NO2-氧化為NO3-的好氧量。
2、在反硝化階段可以節(jié)省碳源40%。在C/N比一定的情況下提高了TN的去除率。并可以節(jié)省投堿量。
3、由于亞硝化菌世代周期比硝化菌短，控制在亞硝化階段可以提高硝化反應速度和微生物的濃度，縮短硝化反應的時間，而由于水力停留時間比較短，可以減少反應器的容積，節(jié)省基建投資，一般情況下可以使反應器的容積減少30%~40%。
4、短程硝化反硝化反應過程在硝化過程中可以減少產(chǎn)泥25%~34%，在反硝化過程中可以減少產(chǎn)泥約50%。
由于以上的優(yōu)點，使得短程硝化-反硝化反應尤其適應于低C/N比的廢水，即高氨氮低COD，既節(jié)省動力費用又可以節(jié)省補充的碳源的費用，所以該工藝在煤化工廢水方面非常可行。
2、影響短程硝化反硝化的因素
2.1溫度的影響
溫度對微生物影響很大。亞硝酸菌和硝酸菌的最適宜溫度不相同，可以通過調節(jié)溫度抑制硝酸菌的生長而不抑制亞硝酸菌的方法，來實現(xiàn)短程硝化反硝化過程。國內(nèi)的高大文研究表明：只有當反應器溫度超過28℃時，短程硝化反硝化過程才能較穩(wěn)定地進行。
2.2 pH值的影響
pH較低時，水中較多的是氨離子和亞硝酸，這有利于硝化過程的進行，此時無亞硝酸鹽的積累；而當pH較高時，可以積累亞硝酸鹽。因此合適的pH環(huán)境有利于亞硝化菌的生長。pH對游離氨濃度也產(chǎn)生影響，進而也會影響亞硝酸菌的活性，研究表明：亞硝化菌的適宜pH值在8.0附近，硝化菌的pH值在7.0附近。因此，實現(xiàn)亞硝化菌的積累的pH值最好在8.0左右。
2.3溶解氧（DO）的影響
DO對控制亞硝酸鹽的積累起著至關重要的作用。亞硝化反應和硝化反應均是好氧過程，而亞硝酸菌和硝酸菌又存在動力學特征的差異：低DO條件下亞硝酸菌對DO的親和力比硝酸菌強?？梢酝ㄟ^控制DO使硝化過程只進行到氨氮氧化為亞硝態(tài)氮階段，從而淘汰硝酸菌，達到短程硝化的目的。
2.4泥齡的影響
氨氮的硝化速率比亞硝態(tài)氮的氧化速率快，而亞硝酸菌的世代周期比硝化菌的世代周期短，因此可以通過控制HRT使泥齡在亞硝酸菌和硝酸菌的最小停留時間之間，使亞硝酸菌成為優(yōu)勢菌種，逐步淘汰硝酸菌。
同步硝化反硝化
1、簡介
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(huán)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(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，硝化和反硝化反應往往發(fā)生在同樣的處理條件及同一處理空間內(nèi)，因此，這些現(xiàn)象被稱為同步硝化/反硝化(SND)。
對于各種處理工藝中出現(xiàn)的SND現(xiàn)象已有大量的報道，包括生物轉盤、連續(xù)流反應器以及序批示SBR反應器等等。與傳統(tǒng)硝化-反硝化處理工藝比較，SND具有以下的一些優(yōu)點：
1、 能有效地保持反應器中pH穩(wěn)定，減少或取消堿度的投加；
2、減少傳統(tǒng)反應器的容積，節(jié)省基建費用；
3、 對于僅由一個反應池組成的序批示反應器來講，SND能夠降低實現(xiàn)硝化-反硝化所需的時間；
4、 曝氣量的節(jié)省，能夠進一步降低能耗。
因此SND系統(tǒng)提供了今后降低投資并簡化生物除氮技術的可能性。
2、同步硝化/反硝化的機理研究
2.1、宏觀環(huán)境
生物反應器中的溶解氧DO主要是通過曝氣設備的充氧而獲得，無論何種曝氣裝置都無法使反應內(nèi)氧氣在污水中充分混勻。最終形成反應器內(nèi)部不同區(qū)域缺氧和好氧段，分別為反硝化菌和硝化菌的作用提供了優(yōu)勢環(huán)境，造成了事實上硝化和反硝化作用的同時進行。除了反應器不同空間上的溶氧不均外，反應器在不同時間點上的溶氧變化也可以導致同步硝化/反硝化現(xiàn)象的發(fā)生。Hyungseok Yoo 研究了SBR反應器在曝氣反應階段，反應器內(nèi)DO濃度歷經(jīng)減小后逐漸升高，并伴隨的同步硝化/反硝化現(xiàn)象。
2.2、微環(huán)境理論
缺氧微環(huán)境理論是目前已被普遍接受的一種機理，被認為是同步硝化/反硝化發(fā)生的主要原因之一。這一理論的基本觀點認為：在活性污泥的絮體中，從絮體表面至其內(nèi)核的不同層次上，由于氧傳遞的限制原因，氧的濃度分布是不均勻的，微生物絮體外表面氧的濃度較高，內(nèi)層濃度較低。在生物絮體顆粒尺寸足夠大的情況下，可以在菌膠團內(nèi)部形成缺氧區(qū)，在這種情況下，絮體外層好氧硝化菌占優(yōu)勢，主要進行硝化反應，內(nèi)層為異樣反硝化菌占優(yōu)勢，主要進行反硝化反應(如圖1)。除了活性污泥絮凝體外，一定厚度的生物膜中同樣可存在溶氧梯度，使得生物膜內(nèi)層形成缺氧微環(huán)境。
2.3 生物學解釋
傳統(tǒng)理論認為硝化反應只能由自養(yǎng)菌完成，反硝化只能在缺氧條件下進行，近年來，好氧反硝化菌和異樣硝化菌的存在已經(jīng)得到了證實。
3、同步硝化反硝化影響因素
實現(xiàn)SND的關鍵在于對硝化反硝化菌的培養(yǎng)和控制，目前國內(nèi)外研究認為對影響硝化反硝化菌的因素如下。
3.1、溶解氧
DO的影響對同步硝化反硝化至關重要，研究表明，通過控制DO濃度，使硝化速率與反硝化速率達到基本一致才能達到最佳效果。
3.2、有機碳源
有機碳源對整個同步硝化反硝化體系的影響尤為重要。研究表明，有機碳源含量低則反硝化滿足不了要求；有機碳源含量高則不利于氨氮去除。
3.3、微生物絮體結構
微生物絮體結構不但影響生物絮體內(nèi)DO的擴散，而且影響碳源的分布，絮體結構大小、密實度適中才有利于同步硝化反硝化。研究表明，微生物絮體的同步硝化反硝化能力隨活性污泥絮體大小的增加而提高。
3.4、pH值
同步硝化反硝化值在7.5左右時最合適。硝化菌最適pH為8.0~8.4，而反硝化菌最適pH為6.5~8.0.
3.5 溫度
同步硝化反硝化溫度在10~20℃時最適。硝化菌在20~25℃時性能減退，亞硝化反之。25℃時亞硝化性能最高。25℃后，亞硝酸菌受游離氨的抑制明顯。