污水生物脱氮的基本原理
(1)氮在污水中的形态
污水中的氮一般以氨氮和有机氮的形式存在，通常只含少量的或不含有亚硝酸盐氮和确酸盐氮。
在未经处理的污水中，有可溶性的氮，也有非可溶性氮。可溶性有机氨主要以尿素和氨基酸的形式存在，一部分非可溶性有机氨在初沉池中可以被去除。
生物处理过程中，大部分的可溶性有机氮将转化为氨氮和其他无机氮，却不能有效地去除。生物脱氮的基本原理在于，在有机氮转化为氨氮的基础上，通过硝化反应将氨氮转化硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮转化为氮气从水中逸出，从而实现脱氮的目的。
氮在水中存在的形态与分类见下图：
(2)微生物分解含氮有机物的基本原理
传统生物脱氮包括硝化和反硝化两个过程，是在硝化菌和反硝化菌的共同参与下完成的，将氨氮转化为氮气从废水中去除。
1)氨化反应
微生物分解有机氮化合物并产生氨的过程称为氨化作用，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮的衍生物，其中分解能力强并释放出氨氮的微生物称为氨化菌。
废水中的有机氮化合物的脱氨方式为:水解脱氨、氧化脱氨、还原脱氨及减饱和脱氨。
2)硝化反应
硝化反应是在好氧状态下，将氨氮转化为硝态氮的过程。
硝化反应是由特定的自养型好氧微生物群体完成的，这一过程包含两个基本的反应步骤。首先，亚硝化反应阶段，由亚硝化细菌将氨氮转化为亚硝酸盐氮。参与此反应的亚硝化细菌包括亚硝化单胞菌属、亚硝酸螺菌杆菌属和亚硝球菌属等。其次，硝化反应阶段，硝酸盐菌将亚硝酸盐氮进一步氧化为硝酸盐氮。涉及此阶段的硝酸盐菌包括硝酸杆菌属、螺旋杆菌属和球菌属等。亚硝化细菌和硝酸盐菌统称为硝化细菌，它们都是化能自养菌，这类微生物利用无机碳源如 CO2、CO32-、HCO3-等作为碳源，通过与NH3、NH4+、NO2的氧化反应来获得能量。
硝化过程的3个重要特征：
①氨氮的生物氧化需要大量的氧，即1g氨氮氧化成硝酸盐消耗4.57g氧(其中亚硝酸反应需氧 3.43g，硝化反应需氧1.14g)。
②硝化过程的细胞产率(或污泥产率)很低，1g氨氨氧化成硝酸盐仅合成0.15g新细胞。
③硝化过程产生大量的氢离子(H)。为了使反应正常进行，需要大量的碱进行中和。每氧化 1g 氨氮约需 7.14g碱度(以 CaCO3计)。
3)反硝化反应
反硝化反应是由一群异养型微生物所执行的过程，其核心功能是在缺氧环境中将硝酸盐或亚硝酸盐还原为气态氮或亚硝酸盐。这一过程通常在缺乏分子氧的条件下发生。反硝化细菌是指所有能够利用硝酸盐氮作为最终电子受体，并将硝酸盐氮还原成氮气的细菌群体，它们在自然界中广泛分布，种类繁多。这些细菌通过反硝化作用参与氮循环，对环境氮素的转化和去除具有重要作用。
反硝化菌多数是兼性的，在溶解氧浓度极低的环境中可利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物则作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定。反硝化菌包括假单胞菌属、反硝化杆菌属、螺菌属和无色杆菌属等。他们多数是兼性细菌，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。在无分子态氧条件下，反硝化菌利用硝态氮中的N5+和N3+作为电子受体，O2-作为受氢体，生成 水和 OH- 碱度，有机物则作为碳源及电子供体提供能量，并得到稳定氧化。
反硝化过程中，硝态氮的转化是通过反硝化菌的同化作用和异化作用来完成的。异化作用就是将硝酸盐氮还原为NO、N2O、N2等气体物质，主要是 N2。而同化作用是反硝化菌将硝酸盐氮还原为NH3，供细胞合成使用，使氮成为细胞的成分。
反硝化反应一般以有机物作为碳源和电子供体，当溶氧浓度极低时，反硝化菌可利用硝态氮中的氧为电子受体，将硝态氮还原为氮气。
采用甲醇作为碳源，每还原1g硝酸盐氮，消耗甲醇2.47g(约合3.7gCOD)，可提供的氧量约为2.86g，产生的新细胞约为0.45g，产生的碱度(以CaCO3计)约为3.57g。如果利用废水中的有机物作为碳源，则每转化1g硝酸盐氮需要消耗有机碳(以BOD5计)约2.86g。
4)脱氮的微生物
活性污泥中存在硝化细菌与反硝化细菌，在生物脱氮中起着非常重要的作用。尤其是在污水中氮的去除日益受到重视的形势下，这两类菌及它们之间的关系就显得更重要了。进行硝化作用的微生物有:
硝化菌对环境的变化很敏感，DO>1mg/L，pH=8.0~8.4，BOD<15~20mg/l，适宜温度为 20~30℃;硝化菌在反应器内的停留时间即生物固体平均停留时间，必须大于其最小的世代时间。
