污水硝化—反硝化脱氮处理是一种利用硝化细菌和反硝化细菌的污水微生物脱氮处理方法。
硝化反应过程：在有氧条件下，氨氮被硝化细菌所氧化成为 亚硝酸盐 和硝酸盐。他包括两个基本反应步骤：由亚硝酸菌（ Nitrosomonas sp ）参与将氨氮转化为亚硝酸盐的反应；硝酸菌（ Nitrobacter sp ）参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应，亚硝酸菌和硝酸菌都是 化能自养菌 ，它们利用 CO 2 、CO 3 2- 、HCO 3- 等做为碳源，通过NH 3 、NH 4 + 、或NO 2 - 的氧化还原反应获得能量。硝化反应过程需要在好氧（ Aerobic 或 Oxic ）条件下进行，并以氧做为电子受体，氮元素做为电子供体。其相应的反应式为：
55NH 4 + +76O 2 +109HCO 3 - →C 5 H 7 O 2 N﹢54NO 2 - +57H 2 O+104H 2 CO 3
400NO 2 - +195O 2 +NH 4 + +4H 2 CO 3 +HCO 3 - →C 5 H 7 O 2 N+400NO 3 - +3H 2 O
NH 4 + +1.83O 2 +1.98HCO 3 - →0.021C 5 H 7 O 2 N+0.98NO 3 - +1.04 H 2 O+ 1.884H 2 CO 3
通过上述反应过程的物料衡算可知，在硝化反应过程中，将1克氨氮氧化为硝酸盐氮需好氧4.57克（其中亚硝化反应需耗氧3.43克，硝化反应耗氧量为1.14克），同时约需耗7.14克重碳酸盐（以CaCO3计）碱度。
在硝化反应过程中，氮元素的转化经历了以下几个过程： 氨离子 NH 4 - → 羟胺 NH 2 OH→ 硝酰基 NOH→ 亚硝酸盐 NO 2 - → 硝酸盐 NO 3 - 。
反硝化反应过程：在缺氧条件下，利用反硝化菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气而从无水中逸出，从而达到除氮的目的。
反硝化是将硝化反应过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的过程，反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物。当有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体，当无分子态氧存在时， 反硝化细菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的 N 3+ 和 N 5+ 做为电子受体， O 2- 作为受氢体生成水和 OH - 碱度，有机物则作为碳源提供电子供体提供能量并得到氧化稳定，由此可知反硝化反应须在缺氧条件下进行。从 NO 3 - 还原为 N 2 的过程如下： NO 3 - →NO 2 - →NO→N 2 O→N 2 反硝化过程中，反硝化菌需要有机碳源（如碳水化合物、醇类、有机酸类）作为电子供体，利用NO 3 - 中的氧进行缺氧呼吸。其反应过程可以简单用下式表示：
NO 3 - +4H(电子供体有机物)→1/2N 2 +H 2 O+2OH - +NO 2 - +3H(电子供体有机物)→1/2N 2 +H 2 O+OH -
污水中含碳有机物做为反硝化反应过程中的电子供体。由上式可知，每转化1gNO 2 - 为N 2 时，需有机物（以 BOD 表示）1.71g;每转化1gNO 3 - 为N 2 时，需有机物（以 BOD 表示）2.86g。同时产生3.57g重碳酸盐碱度（以 CaCO 3 计）。如果污水中含有溶解氧，为使反硝化完全，所需碳源有机物（以 BOD 表示）用下式计算：
其中：C为反硝化过程有机物需要量（以BOD表示），mg/l;Ni为初始硝酸盐氮浓度（mg/l）N0为初始亚硝酸盐氮浓度（mg/l）DO 0 为初始溶解氧浓度（mg/l）如果污水中碳源有机物浓度不足时，应补充投加易于生物降解的碳源有机物（甲醇、乙醇或糖类）。以甲醇为例，则
NO 3 +1.08CH 3 OH+0.24H 2 CO 3 →0.056C 5 H 7 O 2 N+0.47N 2 ↑+1.68H 2 O+HCO 3 -
NO 2 - +0.67CH 3 OH+0.53H 2 CO 3 →0.04C 5 H 7 O 2 N+0.48N 2 ↑+1.23H 2 O+HCO 3 -
由上式可见，每还原1gNO 2 - 和1gNO 3 - 分别需要消耗甲醇1.53g和2.47g。
O 2 +0.93CH 3 OH+0.056NO 3 - →0.056C 5 H 7 O 2 N+1.64H 2 O+0.056HCO 3 - +0.59H 2 CO 3
综上所述，可得反硝化过程需要有机碳源（甲醇）的投加量公式为： Cm=2.47Ni+1.53N0+DO 0
其中：Cm为反硝化过程中需要的甲醇浓度（mg/l）其余符号同上综上所述，硝化反应每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗碱度7.14g,表现为PH值下降，在反硝化过程中，去除硝酸盐氮的同时去除碳源，这部分碳源折合DO 2.6g,另外，反硝化过程中补偿碱度3.57g。
传统的生物脱氮工艺是由巴茨（ Barth）开创的所谓三级活性污泥法流程，它是以氨化、硝化和反硝化三项反应过程为基础建立的。传统的生物脱氮工艺是单独进行硝化和反硝化的工艺系统，每一部分都有自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统，使除碳、硝化和反硝化在各自的反应器中进行，并分别控制在适宜的条件下运行。
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第一级曝气池为一般的二级处理曝气池，其主要功能是去除有机物，使有机氮转化为氨氮。经过沉淀后，废水进入第二级硝化曝气池。在第二级硝化曝气池进行硝化反应，使氨氮转化为硝态氮。在第二段硝化过程中要消耗一定的碱度，使 PH值下降，进而会降低硝化反应的速度，因此，需要投加碱补充碱度。第三级为反硝化池，需要维持缺氧条件，不进行曝气，只采用搅拌机械使污泥处于悬浮状态并与污水充分混合，硝态氮还原为氮气，反硝化过程所需要的碳源不足，需要外加碳源。这种流程的优点是好氧菌、硝化菌和反硝化菌分别生长在不同的构筑物中，均可在各自适宜的环境条件下生长繁殖，所以反应速度较快，可以得到较好的 BOD5去除和脱氮效果。缺点是流程长、处理构筑物多、附属设备多，基建费用高、需要补充碱度和外加碳源因而运转费用较高。
A/O 工艺是一种有回流的前置反硝化生物脱氮流程，其中前置反硝化在缺氧池中进行，硝化在好氧池中进行。原污水先进入缺氧池，并将好氧池的混合液与沉淀池的污泥同时回流到缺氧池。污泥和好氧池混合液的回流保证了缺氧池和好氧池有足够数量的微生物，并使缺氧池得到好氧池中硝化所产生的硝酸盐。而原污水和混合液的直接进入又为缺氧池反硝化提供了充足的碳源有机物，使反硝化反应能在缺氧池中进行，反硝化反应的出水又可在好氧池中进行 BOD 5 的降解。
A/O与传统的生物脱氮工艺相比，其特点有：流程简单，构筑物少，费用小，占地少；以原污水中的含碳有机物和内源代谢产物为碳源，节省外加碳源的费用；好氧池在缺氧池后，可进一步去除反硝化残留的有机污染物，改善出水水质；缺氧池在好氧池之前，由于反硝化消耗了一部分碳源有机物，可减轻好氧池的有机负荷，并且反硝化过程产生的碱度可以补偿硝化过程对碱度的消耗。其缺点是：三种不同作用的微生物同在一个系统中，经常改变条件，则存在不断改变环境、不断适应环境的过程，微生物有适应期、闲置期，未能发挥最佳作用。
随着水体富营养化问题的日益突出、水质指标系统不断严格化，使废水脱氮问题成为了水污染控制中广泛关注的热点。而传统多级分设备的生物脱氮工艺以及序批式活性污泥工艺等，虽然在废水脱氮方面起着重要的作用，但仍然存在着以下问题：
①硝化反应和反硝化反应所需要的条件不同，需要序批式进行，且 HRT较长，反应池占地面积大；
②污泥产生量大，剩余污泥处理费用高，污泥不易沉降，而且容易发生污泥膨胀；
④中和硝化过程中产生的酸度，需要加碱中和，增加了处理费用；
与此相比，单级生物脱氮工艺在生物脱氮过程当中展现出更多的优势。硝化反应耗氧、耗碱度、但不消耗碳源，而反硝化过程不需氧、产生碱度、消耗大量碳源，两者在多方面表现为互补。如果硝化和反硝化反应能在同一处理系统中连续实现，硝化反应的产物可直接成为反硝化反应的底物，避免了硝化过程中的 NO 2 - 的积累对硝化反应的抑制，加快硝化反应的速度，还可以有效利用废水中有机碳源进行反硝化；而且也不需外加动力进行硝化液循环；反硝化反应增加的碱度补充硝化反应减少的碱度，使系统内的 pH值相对稳定；另外，硝化反应和反硝化反应可在相同的条件和系统中进行，简化了操作的难度 。
短程硝化反硝化工艺:短程硝化反硝化工艺（ Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite ）是一种新型的脱氮工艺。其基本原理是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后通过反硝化作用将亚硝酸氮还原为氮气，是经 NH 4 + -N → NO 2 - -N→ N 2 的途径完成，整个过程较全程硝化反硝化大大缩短。短程硝化的标志是有稳定且较高的 NO 2 - -N 积累，即亚硝酸氮积累率较高。
与传统的生物脱氮工艺相比，该工艺具有以下优点：硝化与反硝化两个阶段在同一反应器中完成，可以简化工艺流程；可节省反硝化过程所需要的外加碳源 ，同时硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和，减少了处理费用；可以缩短水力停留时间，减少反应器体积和占地面积；只需要将氨氮氧化成亚硝酸盐，可减少25% 左右的供气量，降低能耗。
厌氧氨氧化工艺:厌氧氨氧化工艺（ Anaerobic AMMonium Oxidation ）是由荷兰Delft大学于 1990年提出的。该工艺的特点是：在厌氧条件下，微生物直接以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，以氨氮作为电子供体，将氨氮氧化生成氮气，硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气。厌氧氨氧化是 Mulder和 Graaf对一个使用硫化物做电子供体的流化床反应器自养菌反硝化运行工况仔细观测和研究发现的。该工艺中亚硝酸盐是一个关键的电子受体。与硝化作用相比，它以亚硝酸盐取代氧，改变了电子受体；与反硝化作用相比，它以氨取代有机物作为电子供体。
从这一反应中所产生的吉布斯（ Gibbs）自由能甚至比好氧氨氧化（硝化）所产生的能量还要高，所以能够支持自养菌生长。这表明在这一工艺中发生的反硝化反应中不需外加碳源。厌氧氨氧化工艺特别适宜在温度高于 20℃和自营养系统中运行。这种工艺多用于处理工业废水，也可用于处理其他废液，如污泥消化池上清液。
厌氧池（区）指非充氧池（区），溶解氧浓度一般小于0.2mg/L。微生物在该池（区）吸收有机物并释放磷。
缺氧池（区）指非充氧池（区），溶解氧浓度一般为0.2～0.5mg/L。当存在大量硝酸盐、亚硝酸盐和充足的有机物时，可在该池（区）内进行反硝化脱氮反应。
好氧池（区）指充氧池（区），溶解氧浓度一般不小于2mg/L，主要功能是降解有机物和进行硝化反应。
当以除磷为主时，应采用厌氧/好氧工艺，基本工艺流程如下：
当以除氮为主时，宜采用缺氧/好氧工艺，基本工艺流程如下：
需要同时脱氮除磷时，应采用厌氧/缺氧/好氧（A/A/O）工艺。
VFA（挥发性脂肪酸），PHA（聚羟基脂肪酸），PO（磷酸盐），PP（多聚磷酸盐）厌氧条件下，PAOs吸收VFA转化为PHA，这一过程PP高能键断裂为这一过程释放能量，同时释放出磷酸盐，而磷酸盐浓度升高，恰恰是我们说的能够利于PAOs生长繁殖好氧条件下，正好与其相反，吸收Po形成PP，而此时的能源则是PHA，如厌氧过程所说，PP是吸收PO所需要的能量物质，也就等于是为下一次代谢周期做准备，与此同时，PAOs分裂生成新的细胞，但是由于，PO含量降低，将会限制它的生存繁殖，所以必须通过人为过程使PO含量升高，完成一个完整的周期。如果不进行循环，聚磷菌是无法完成完整的生命周期的。
