在生物脫氮過程中，廢水中的氨氮首先被硝化菌在好氧條件下氧化為NO-X，然后NO-X在缺氧條件下被反硝化菌還原為N2(反硝化)。硝化和反硝化既可在活性污泥反應(yīng)器中進(jìn)行，又可在生物膜反應(yīng)器中進(jìn)行，目前應(yīng)用最多的還是活性污泥法。
硝化菌和反硝化菌處在同一活性污泥中，由于硝化菌的好氧和自養(yǎng)特性與反硝化菌的缺氧和異養(yǎng)特性明顯不同，脫氮過程通常需在兩個反應(yīng)器中獨立進(jìn)行(如Bardenpho、UCT、雙溝式氧化溝工藝等)或在一個反應(yīng)器中順次進(jìn)行(如SBR)。當(dāng)混合污泥進(jìn)入缺氧池(或處于缺氧狀態(tài))時，反硝化菌工作，硝化菌處于抑制狀態(tài)；當(dāng)混合污泥進(jìn)入好氧池(或處于好氧狀態(tài))時情況則相反。
顯然，如果能在同一反應(yīng)器中使同一污泥中的兩類不同性質(zhì)的菌群(硝化菌和反硝化菌)同時工作，形成同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification Denitrification簡稱SND)，則活性 污泥法的脫氮工藝將更加簡化而效能卻大為提高。
此外從工程的角度看，硝化和反硝化在兩個反應(yīng)器中獨立進(jìn)行或在同一個反應(yīng)器中順次進(jìn)行時，反硝化過程的產(chǎn)堿會導(dǎo)致OH-積累而引起PH值升高，將影響上述兩階段反應(yīng)過程的反應(yīng)速度，這在高氨氮廢水脫氮時表現(xiàn)得更為明顯。但對SND工藝而言，反硝化產(chǎn)生的OH-可就地中和硝化產(chǎn)生的H+，減少了PH值的波動，從而使兩個生物反應(yīng)過程同時受益，提高了反應(yīng)效率。
實現(xiàn)同步硝化反硝化的途徑
由于硝化菌的好氧特性，有可能在曝氣池中實現(xiàn)SND。實際上，很早以前人們就發(fā)現(xiàn)了曝氣池中氮的非同化損失(其損失量隨控制條件的不同約在10%～20%左右)，對SND的研究也主要圍繞著氮的損失途徑來進(jìn)行，希望在不影響硝化效果的情況下提高曝氣池的脫氮效率。
?、倮媚承┪⑸锓N群在好氧條件下具有反硝化的特性來實現(xiàn)SND。研究結(jié)果表明，Thiosphaera、Pseadonmonas nautica、Comamonossp.等微生物在好氧條件下可利用NOX-N進(jìn)行反硝化。如果將硝化菌和反硝化菌置于同一反應(yīng)器(曝氣池)內(nèi)混合培養(yǎng)，則可達(dá)到單個反應(yīng)器的同步硝化反硝化。盡管這些微生物的純培養(yǎng)結(jié)果令人滿意，但目前普遍認(rèn)為離實際應(yīng)用尚有距離，主要原因是實際污泥中這些菌群所占份額太小。
?、诶煤醚趸钚晕勰嘈躞w中的缺氧區(qū)來實現(xiàn)SND。通常曝氣池中的DO維持在1～2mg/L，活性污泥大小具有一定的尺度，由于擴(kuò)散梯度的存在，在污泥顆粒的內(nèi)部可能存在著一個缺氧區(qū)，從而形成有利于反硝化的微環(huán)境。以往對曝氣池中氮的損失主要以此解釋，并被廣泛接受。如果污泥顆粒內(nèi)部厭氧區(qū)增大，反硝化效率就相應(yīng)提高。
大量研究結(jié)果表明，活性污泥的SND主要是由污泥絮體內(nèi)部缺氧產(chǎn)生。要實現(xiàn)高效率的SND，關(guān)鍵是如何在曝氣條件下(不影響硝化效果)增大活性污泥顆粒內(nèi)部的缺氧區(qū)以實現(xiàn)反硝化。要達(dá)到這一目的，有兩種途徑可供選擇，即減小曝氣池內(nèi)混合液的DO濃度和提高活性污泥顆粒的尺度。
降低曝氣池的DO濃度，即減小了O2的擴(kuò)散推動力，可在不改變污泥顆粒尺度的條件下在其內(nèi)部形成較大的缺氧區(qū)。丹麥BioBalance公司發(fā)明的SymBio工藝即建立在此理論基礎(chǔ)之上(曝氣池DO維持在1 mg/L以下)，但在低DO濃度下硝化菌的活性將會降低，且極易形成諸如Sphaeroticule natans/1701和H.Hydrossis之類的絲狀菌膨脹。
因此，提高SND活性污泥顆粒的尺度，在不影響硝化效率的前提下達(dá)到高效的SND可能是最佳選擇。然而，由于曝氣池中氣泡的劇烈擾動作用，活性污泥顆粒在曝氣條件下很難長大，因此限制了活性污泥法SND效率的提高。
實現(xiàn)活性污泥法的高效同步硝化反硝化，必須在曝氣狀態(tài)下滿足以下兩個條件：
①入流中的碳源應(yīng)盡可能少地被好氧氧化；
②曝氣池內(nèi)應(yīng)維持較大尺度的活性污泥。
在連續(xù)流好氧條件下硝化發(fā)生在碳氧化之后，入流中的碳源被碳氧化或合成為細(xì)胞物質(zhì)，只有當(dāng)BOD濃度處于較低水平時硝化過程才開始。此時，即使污泥尺度較大也能形成有利于反硝化的微環(huán)境，但外源碳已消耗殆盡，只能利用內(nèi)源碳進(jìn)行反硝化，而內(nèi)源水平反硝化的反應(yīng)速率小，因此SND效率就低。
在非連續(xù)條件下微生物的代謝模式則截然不同，入流中的碳源可在很短的時間內(nèi)被微生物大量吸收，并以聚合物或原始基質(zhì)的形態(tài)儲藏于體內(nèi)，從而使曝氣池中的碳源濃度迅速降低，為硝化創(chuàng)造良好條件。如果顆粒污泥較大，形成有利于反硝化的微環(huán)境，則微生物可利用預(yù)先儲存的基質(zhì)進(jìn)行反硝化。由于反硝化處在基質(zhì)水平，反硝化的速度快，SND效率就高。
好氧顆粒污泥的培養(yǎng)
活性污泥工藝的運行好壞主要依賴于反應(yīng)器中形成污泥的質(zhì)量。最新研究結(jié)果表明，在活性污泥反應(yīng)器中創(chuàng)造一定條件可培養(yǎng)出高活性的SND顆粒污泥，其顆粒尺度在500μm左右，具有良好的沉淀性能和較高的SND速率。
根據(jù)目前普遍接受的污泥絮體理論及在曝氣池中通常觀測到的污泥顆粒大小(約為100μm )可知，在某些特定條件下污泥顆粒的緊密層可進(jìn)一步增大，進(jìn)而形成SND顆粒污泥。另有研究結(jié)果表明，在反硝化條件下活性污泥絮體能形成性能優(yōu)良的顆粒污泥。
以往認(rèn)為在曝氣池中由于水流紊動劇烈、剪切力較大，污泥顆粒尺度在達(dá)到100μm后就很難增大了。采用微氧電極對DO在顆粒內(nèi)部擴(kuò)散的研究結(jié)果表明，當(dāng)DO為1～2 mg/L時，O2在污泥顆粒內(nèi)的擴(kuò)散深度約為100μm，因此在單純的碳氧化曝氣池中的污泥尺度若再增大，內(nèi)部將進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)。
目前對如何在曝氣池中提高活性污泥尺度的研究報道還較少，最近Morgenroth采用厭氧顆粒污泥培養(yǎng)中的水力篩分法，以碳源為基質(zhì)在USB反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，其顆粒尺度可達(dá)1～3 mm，具有優(yōu)良的沉淀性能。但由于曝氣池中O2的供給是限制因素，當(dāng)顆粒變大后其平均活性并不高(內(nèi)部大量污泥處于厭氧狀態(tài))，且隨著運行時間的延長，污泥活性可能進(jìn)一步退化。
在SBR系統(tǒng)中采用縮短沉降時間可截留住那些具有較高沉速的生物顆粒，培養(yǎng)出的顆粒污泥可達(dá)3.3 mm(也有僅為0.3～0.5 mm的)，其中幾乎不含絲狀菌，全部由細(xì)菌組成。顆粒化不是由微生物種類決定的，而是與操作條件有關(guān)，曝氣池中的攪動強度或混合程度及曝氣產(chǎn)生的剪切力對顆粒污泥的形成都有較大影響。好氧顆粒污泥的形成機(jī)制目前還不完全清楚。
在SBR反應(yīng)器中，DO保持在0.7～1.0 mg/L時運行一個月可基本完成顆?；?，且COD、NH3-N、TN去除率高達(dá)95%、95%、60%，顆粒中無絲狀菌，SVI為80～100 mL/ g，SS為4～4.5 g/L。好氧顆粒污泥在顯微鏡和曝氣狀態(tài)下都可觀察到，其活性即使在DO<1mg/L時也很高，有機(jī)物和氨氮負(fù)荷可達(dá)1.5kgCOD/(m3•d)和0.18kgNH3-N/(m3•d)。
可形成好氧顆粒污泥的微生物不僅僅局限于甲烷菌，人們觀察到酸化菌、硝化菌、反硝化菌及好氧異養(yǎng)菌也能形成顆粒污泥。好氧顆粒污泥主要由桿菌組成，無絲狀菌。這些都是在連 續(xù)運行操作中發(fā)現(xiàn)的，目前在SBR系統(tǒng)中也有發(fā)現(xiàn)(由于顆粒污泥的快速沉降還可有效縮短沉降時間)。