在污水处理中，高效生物脱氮是一个关键过程，它主要通过微生物的联合作用，将污水中的有机氮及氨氮转化为氮气。以下是一些实现高效生物脱氮的方法：

一、基本原理与过程

生物脱氮的基本原理涉及氨化反应、硝化反应和反硝化反应。

氨化反应：含氮有机物在氨化功能菌的代谢下，经分解转化为NH4+。这一过程不仅将有机氮转化成氨氮，还能提高污水的可生化性。

硝化反应：由好氧自养型微生物完成，分为两个阶段。第一阶段，亚硝化菌将氨氮转化为亚硝酸盐（NO2-）；第二阶段，硝化菌将亚硝酸盐进一步氧化成硝酸盐（NO3-）。硝化过程需要充足的溶解氧，通常在DO值保持在2mg/L以上时，硝化反应才能正常进行。

反硝化反应：在缺氧状态下，反硝化菌将亚硝酸盐氮、硝酸盐氮还原成气态氮（N2）。反硝化菌为异养型微生物，利用有机物（污水中的BOD成分）作为电子供体，提供能量并被氧化稳定。

二、高效生物脱氮方法

传统硝化反硝化

传统的理论认为生物脱氮是由有机氮氨化、硝化、反硝化及微生物的同化作用来完成。

缺点：存有大量有机物的情况下，自养硝化菌对氧气与营养物的竞争力不如好氧异养菌，导致反应中硝化菌种无法占据主导地位；反硝化需要提供有机物作为电子供体，但硝化过程中去除了大量有机碳导致碳源缺乏。

同步硝化反硝化

存在有氧情况下的反硝化反应和低氧情况下的硝化反应，硝化过程和反硝化过程通常在一个反应器中进行，这种现象被称为同步硝化反硝化，如流化床反应器、生物转盘、氧化沟等。

短程硝化反硝化

与全程硝化反硝化相比，可减少25%的硝化需氧量和40%的反硝化碳源，同时可削减底泥产量，进而减少反硝化池容积，在各类脱氮工艺中极具竞争力。

此外，亚硝态氮的积累不会抑制氨氧化过程。

厌氧氨氧化

在厌氧条件下，微生物直接以NH4+为电子供体，以亚硝酸盐、硝酸盐作为电子受体，将氮化合物转变成N2的过程或利用硝酸盐作为电子受体来氧化氨的过程。

相比传统的脱氮工艺，可以大幅度降低硝化反应的充氧能耗；免去反硝化反应的外加碳源；改善硝化反应产酸，反硝化反应产碱而均需中和的状况，节省传统硝化反硝化反应过程中所需的中和试剂；对防止由于化学药剂的投加而可能出现的二次污染具有重要作用。

A/O、A2/O工艺

A2/O工艺是在A/O工艺的基础上进行的升级，对于脱氮除磷步骤来说，通过综合化的操作，可以进行有效地处理，工序简单，效率高。占地面积小，成本比A/O工艺更少。厌氧、缺氧、好氧三种作用步骤可以交替往复运行，可以有效抑制丝状菌的过量繁殖。

SBR工艺

SBR脱氮工艺与A/O工艺相比，其运行方式有所不同，但在脱氮反应机理上基本与A/O生物脱氮工艺一致。

SBR工艺为间歇的运行方式，采用一个独立的反应池替代了传统的由多个具有不同功能的反应区组合而成的A/O生物脱氮反应器。

SBR脱氮工艺以时间的交替方式实现了缺氧/好氧环境，取代了传统空间上的缺氧/好氧，因其具有简单的结构和灵活的操作方式而倍受研究者的关注和研究。

三、影响因素与优化策略

温度：生物硝化反应的适宜温度范围为2030℃，15℃以下硝化反应速率下降，5℃时基本停止。反硝化适宜的温度范围为2040℃，15℃以下反硝化反应速率下降。实际中观察到，生物膜反硝化过程受温度的影响比悬浮污泥法小，此外，流化床反硝化温度的敏感性比生物转盘和悬浮污泥的小得多。

pH值：多数实验表明，生物脱氮功能菌对pH值的变化非常敏感，硝化菌的最适pH为8.08.4，当pH值不在6.09.6范围，即高于9.6或低于6.0时硝化反应将受到抑制而停止。对于反硝化过程而言，反硝化反应也需要维持一定的pH值，以使其达到最佳状态，其最适pH为7.08.5。发生有效反硝化作用的pH范围为6.08.5，当pH>8.5时，反硝化效果受到影响，表现为反硝化速率的显著下降。此外，反硝化反应的终产物还受pH值的影响，不同的pH值将有不同的终产物，如pH>7.3反应终产物为N2，而pH<7.3反应终产物为N2O。

溶解氧：硝化反应过程是以分子氧作为电子终受体的，因此，只有当分子氧（溶解氧）存在时才能发生硝化反应。为满足正常的硝化效果，在活性污泥工艺运行过程中，DO值至少要保持在2mg/L以上，一般为2~3mg/L。当DO值较低时，硝化反应过程将受到限制，甚至停止。反硝化与硝化在溶解氧的需求方面是一个对立的过程。传统的反硝化过程需要在严格意义上的缺氧环境下才能发生，这是因为DO与NO3-都能作为电子受体，存在竞争行为。当有DO存在时，不仅会抑制微生物对硝酸盐还原酶的合成及其活性，而且会使反硝化菌优先利用DO作为电子终受体降解有机物。但是，在实际的工艺运行过程中，由于氧传递的限制造成污泥絮体内部存在部分缺氧环境，也就是说，曝气池内即使存在一定浓度的DO，反硝化反应也有可能发生。研究表明，在实际活性污泥系统中只需将缺氧池DO控制在0.5mg/L以下就能够促使反硝化反应的发生，实现较好的反硝化效果。

碳源：在反硝化过程中，碳源的供给直接影响反硝化能力。当废水进水中BOD5/TKN≥4~6时，可以认为反硝化碳源是充足的，不必外加碳源。

综上所述，高效生物脱氮需要综合考虑多种因素，通过优化工艺参数、选择合适的处理方法和加强运行管理等措施，可以实现污水的高效脱氮处理。