在生物脫氮過程中，廢水中的氨氮首先在好氧條件下被硝化細(xì)菌氧化成氮氧化物，然后在缺氧條件下被反硝化細(xì)菌還原成N2(脫氮)。硝化和反硝化可以在活性污泥反應(yīng)器和生物膜反應(yīng)器中進(jìn)行。目前，活性污泥法是應(yīng)用最廣泛的方法。硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌在同一活性污泥中。由于硝化細(xì)菌的好氧和自養(yǎng)特性明顯不同于反硝化細(xì)菌的缺氧和異養(yǎng)特性，反硝化過程通常需要在兩個(gè)反應(yīng)器中獨(dú)立進(jìn)行(如巴登弗、UCT、雙溝氧化溝工藝等)。)或在一個(gè)反應(yīng)器(如丁苯橡膠)中順序進(jìn)行。當(dāng)混合污泥進(jìn)入缺氧池(或處于缺氧狀態(tài))時(shí)，反硝化細(xì)菌工作，硝化細(xì)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(shí)，情況正好相反。顯然，如果同一污泥中兩種性質(zhì)不同的細(xì)菌(硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌)能夠在同一反應(yīng)器中同時(shí)工作，形成同步硝化反硝化(SND)，活性污泥法的反硝化過程將會更加簡化，效率將會大大提高。此外，從工程角度來看，硝化和反硝化在兩個(gè)反應(yīng)器中獨(dú)立進(jìn)行，或者在同一個(gè)反應(yīng)器中順序進(jìn)行。反硝化過程中產(chǎn)堿會導(dǎo)致羥基積累和酸堿度升高，影響上述兩級反應(yīng)過程的反應(yīng)速度，反硝化高氨氮廢水時(shí)更為明顯。

然而，對于SND工藝，反硝化產(chǎn)生的羥基可以中和原位硝化產(chǎn)生的氫，減少酸堿度的波動，從而既有利于生物反應(yīng)過程，又提高了反應(yīng)效率。由于硝化細(xì)菌的好氧特性，在曝氣池中實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化是可能的。事實(shí)上，人們早已發(fā)現(xiàn)曝氣池中氮的損失不均勻(根據(jù)控制條件，損失約為10% ~ 20%)。SND的研究也主要集中在氮的流失途徑上，希望在不影響硝化效果的情況下提高曝氣池的脫氮效率。(1)利用好氧條件下某些微生物種群的反硝化特性實(shí)現(xiàn)SND。結(jié)果表明，硫代球孢菌、鸚鵡熱假單胞菌、單胞菌等微生物。可以在有氧條件下使用氮氧化物-氮進(jìn)行脫氮。如果硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌在同一個(gè)反應(yīng)器(曝氣池)中混合培養(yǎng)，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)反應(yīng)器的同步硝化和反硝化。雖然這些微生物的純培養(yǎng)結(jié)果令人滿意，但一般認(rèn)為實(shí)際應(yīng)用中仍有距離，主要是因?yàn)檫@些細(xì)菌在實(shí)際污泥中的比例太小。(2)利用好氧活性污泥絮體中的缺氧區(qū)實(shí)現(xiàn)SND。曝氣池中溶解氧一般保持在1 ~ 2毫克/升，活性污泥的大小有一定的尺度。由于擴(kuò)散梯度的存在，污泥顆粒內(nèi)部可能存在缺氧區(qū)，從而形成有利于脫氮的微環(huán)境。過去，曝氣池中氮的損失主要是由這一點(diǎn)解釋的，并被廣泛接受。如果污泥顆粒內(nèi)部的厭氧區(qū)增加，反硝化效率也會相應(yīng)提高。大量研究結(jié)果表明，活性污泥的SND主要是由污泥絮體缺氧產(chǎn)生的。要實(shí)現(xiàn)高效脫氮，關(guān)鍵是如何在曝氣條件下(不影響硝化效果)增加活性污泥顆粒內(nèi)部缺氧區(qū)，實(shí)現(xiàn)脫氮。為了達(dá)到這個(gè)目的，有兩種選擇方法，即降低曝氣池中混合液體的溶解氧濃度和增大活性污泥顆粒的尺寸。降低曝氣池的溶解氧濃度，即降低O2的擴(kuò)散驅(qū)動力，可以在曝氣池內(nèi)形成一個(gè)大的缺氧區(qū)，而不改變污泥粒徑。丹麥生物平衡公司(BioBalance company)發(fā)明的SymBio工藝就是基于這一理論(曝氣池中的溶解氧保持在1毫克/升以下)，但在低溶解氧濃度下硝化細(xì)菌的活性將為降低，絲狀細(xì)菌如泥炭蘚/1701和水絲菌容易形成s 此時(shí)，即使污泥規(guī)模較大，也能形成有利于脫氮的微環(huán)境，但外部碳已經(jīng)耗盡，只能利用內(nèi)部碳進(jìn)行脫氮，內(nèi)部脫氮反應(yīng)速率小，因此SND效率低。在不連續(xù)的條件下，微生物的代謝模式是非常不同的。流入物中的碳源可以在非常短的時(shí)間內(nèi)被微生物大量吸收，并以聚合物或原始基質(zhì)的形式儲存在體內(nèi)，使得曝氣池中的碳源濃度可以快速達(dá)到降低，為硝化反應(yīng)創(chuàng)造了有利條件。如果顆粒污泥足夠大以形成有利于脫氮的微環(huán)境，微生物可以使用預(yù)存的基質(zhì)進(jìn)行脫氮。由于脫氮作用在底物水平，脫氮速度快，脫氮效率高。好氧顆粒污泥培養(yǎng)活性污泥法的運(yùn)行主要取決于反應(yīng)器中形成的污泥質(zhì)量。最新研究結(jié)果表明，活性污泥反應(yīng)器可以在一定條件下培養(yǎng)高活性的SND顆粒污泥。其粒徑約為500μm，沉降性能好，信噪比高。根據(jù)目前普遍接受的污泥絮凝物理論和曝氣池中通常觀察到的污泥粒徑(約100μm)，可以看出，在一定的特定條件下，污泥顆粒的致密層可以進(jìn)一步增大，從而形成SND顆粒污泥。其他研究結(jié)果表明，活性污泥絮體可以在反硝化條件下形成性能優(yōu)異的顆粒污泥。過去，由于曝氣池中水流的劇烈湍流和較大剪切力，污泥粒徑在達(dá)到100μm后很難增大。微氧電極在顆粒中擴(kuò)散溶解氧的研究結(jié)果表明，當(dāng)溶解氧為1 ~ 2毫克/升時(shí)，污泥顆粒中O2的擴(kuò)散深度約為100微米，因此，如果簡單碳氧化曝氣池中的污泥規(guī)模再次增大，內(nèi)部將進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)。目前，關(guān)于如何提高曝氣池活性污泥規(guī)模的報(bào)道很少。摩根羅斯(Morgenroth)最近在厭氧顆粒污泥培養(yǎng)中采用水力篩選法，在以碳源為基質(zhì)的通用串行總線反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥。其粒徑可達(dá)1 ~ 3毫米，具有優(yōu)異的沉降性能。然而，由于曝氣池中O2的供應(yīng)是一個(gè)限制因素，當(dāng)顆粒變大時(shí)，污泥的平均活性不高(曝氣池中的大量污泥處于厭氧狀態(tài))，并且隨著操作時(shí)間的延長，污泥活性可能進(jìn)一步惡化。在SBR系統(tǒng)中縮短沉降時(shí)間可以攔截沉降速度較快的生物顆粒，培養(yǎng)的顆粒污泥可達(dá)3.3毫米(也只有0.3~0.5毫米)，幾乎不含絲狀菌，由細(xì)菌組成。顆粒化不是由微生物種類決定的，而是與操作條件相關(guān)的。曝氣池中的攪拌強(qiáng)度或混合程度以及曝氣產(chǎn)生的剪切力對顆粒污泥的形成有很大影響。好氧顆粒污泥的形成機(jī)理尚不完全清楚。在序批式反應(yīng)器中，當(dāng)溶解氧保持在0.7 ~ 1.0毫克/升一個(gè)月時(shí)，可以基本完成顆粒化，對化學(xué)需氧量、氨氮和總氮的去除率高達(dá)95%、95%和60%，顆粒中無絲狀菌，SVI為80 ~ 100毫升/克，懸浮物為4 ~ 4.5克/升。在顯微鏡和曝氣下可以觀察到好氧顆粒污泥，即使在溶解氧為1毫克/升時(shí)，其活性也很高，有機(jī)物和氨氮負(fù)荷達(dá)到1.5公斤化學(xué)需氧量/(噸)能夠形成好氧顆粒污泥的微生物不限于產(chǎn)甲烷菌。已經(jīng)觀察到酸化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌和好氧異養(yǎng)細(xì)菌也可以形成顆粒污泥。好氧顆粒污泥主要由無絲狀菌的桿菌組成。這些都存在于連續(xù)運(yùn)行中，目前也存在于SBR系統(tǒng)中(由于顆粒污泥的快速沉降，沉降時(shí)間也可以有效縮短)。