传统的生物脱氮工艺基本原理是在二级生物处理过程中，先将有机氮转化为氨氮，再通过硝化菌和反硝化菌的作用将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮，*终通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气完成脱氮。
因为硝化与反硝化反应的进行存在相互制约的关系；在有机物大量存在的情况下，自养硝化菌对氧气和营养物的竞争力不如好养异养菌，无法占据主导地位；反硝化需要有机物作为电子供体，但是硝化过程去除了大量的有机物，导致反硝化过程中碳源缺乏，所以为平衡两单元的不同需求，发展出多种生物脱氮方法相结合的工艺。
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传统的生物脱氮工艺主要依靠调整工艺流程来缓解硝化菌反应环境和反硝化菌反应环境之间存在的矛盾。如果硝化反应阶段在前，则需要外加电子供体例如甲醇等物质，提高了运行费用;如果硝化反应阶段在后，则需要将硝化废水回流，容易产生污泥上浮并且需要提高回流比以获得更高的去除率。
这个矛盾在处理氨氮浓度较低的市政废水中尚不明显，但在处理垃圾渗滤液、畜牧废水等高浓度氨氮废水时，*的限制了系统脱氮效率。
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、anammox工艺、sharon-anammox组合工艺、oland工艺、canon工艺。
1、同步硝化反硝化（snd）脱氮工艺
根据传统生物脱氮理论，脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化两个过程需要在两个隔离的反应器中进行，或者在时间或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中；实际上，较早的时期，在一些没有明显的缺氧及厌氧段的活性污泥工艺中，人们就层多次观察到氮的非同化损失现象，在曝气系统中也曾多次观察到氮的消失。
在这些处理系统中，硝化和反硝化反应往往发生在同样的处理条件及同一处理空间内，因此，这些现象被称为同步硝化/反硝化（snd）。
对于各种处理工艺中出现的snd现象已有大量的报道，包括生物转盘、连续流反应器以及序批示sbr反应器等等。与传统硝化-反硝化处理工艺比较，snd能有效地保持反应器中ph稳定，减少或取消碱度的投加；减少传统反应器的容积，节省基建费用；对于仅由一个反应池组成的序批示反应器来讲，snd能够降低实现硝化-反硝化所需的时间；曝气量的节省，能够进一步降低能耗。
因此snd系统提供了今后降低投资并简化生物除氮技术的可能性。
2、短程硝化脱氮（sharon）工艺
sharon工艺即短程硝化脱氮工艺，是荷兰delft技术大学1997年提出开发的新型生物脱氮工艺。基本原理是在同一个反应器内，在有氧的条件下，自养型亚硝酸菌将nh3-n转化为no2-，然后在缺氧条件下，异养型反硝化菌以有机物为电子供体，以no2-为电子受体，将no2-转化为n2。其理论基础是亚硝酸型硝化反硝化技术，生化反应可用下式表示
该工艺的关键是如何将氨氧控制在亚硝酸阶段，并持久维持在较高浓度的亚硝酸盐积累。
该工艺使用无需污泥停留的cstr反应器，在较短的hrt和30~40摄氏度的条件下，通过“洗泥”的方式进行种群筛选，产生大量的亚硝酸菌。sharon工艺适用于高浓度氨（500mg/l）废水的处理，尤其适用于具有脱氨要求的预处理或旁路处理。该工艺与传统工艺相比可节省供氧量25%，可节省反硝化碳源40%。
3、厌氧氨氧化（anammox）工艺
anammox工艺是荷兰delft大学1990年提出的一种新型脱氮工艺。在厌氧条件下，微生物以nh3-n为电子供体，no2-为电子受体，把nh3-n、no2-转化为n2的过程。其生化反应可由下式表示
厌氧氨氧化过程中起作用的微生物是anammox菌。该菌是专性厌氧化学无机自养细菌，生长十分缓慢，在实验室的条件下世代期为2~3周，厌氧氨氧化过程的生物产量很低，相应污泥产量也很低。