傳統(tǒng)的生物脫氮理論包括了好氧的亞硝化反應(yīng)與硝化反應(yīng)，與厭氧的反硝化反應(yīng)二者相互獨立，經(jīng)常發(fā)生在同一反應(yīng)器的不同區(qū)域或不同反應(yīng)器中。但厭氧氨氧化、好氧反硝化、短程硝化反硝化、全程自養(yǎng)脫氮、異養(yǎng)硝化--好氧反硝化脫氮機制的發(fā)現(xiàn)打破了這一限制。下面林兒就對這幾種脫氮機制進行逐一的講解。(厭氧氨氧化前面推文已詳盡講解，在此不再重復(fù)，有需要的朋友請查找歷史信息)
1.好氧反硝化
好氧反硝化是指好氧反硝化菌利用好氧反硝化酶的作用，在有氧條件下進行的反硝化作用。20世紀(jì)80年代，Robertson等人報道了好氧反硝化細菌和好氧反硝化酶系的存在，并證實了泛養(yǎng)硫球菌 Thiosphaerapantotropha(現(xiàn)更名為脫氮副球菌Paracoccusdenitrifications)在生長過程中，O2 和 NO3--N 共同存在時，其生長速率比兩者單獨存在時都高。越來越多的研究證明細菌好氧反硝化的存在，并發(fā)現(xiàn)了一些在有氧條件下有較高反硝化率的細菌。
好氧反硝化作用通常分為兩種類型：
1.1 在微生物生物膜體系中，外部為好氧區(qū)域，適宜硝化細菌、異養(yǎng)細菌等好氧微生物的生長繁殖，而在生物膜內(nèi)部，由于周圍氧氣被消耗，內(nèi)部呈現(xiàn)出缺氧/厭氧微環(huán)境，滿足了厭氧反硝化菌的生長，從而在微區(qū)內(nèi)進行厭氧反硝化作用，而在整體上出現(xiàn)了好氧硝化與好氧反硝化作用的同時進行。
1.2 此外，除傳統(tǒng)的厭氧反硝化微生物外，也存在好氧/兼性厭氧的微生物，如陶厄氏菌屬(Thauera)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、不懂桿菌屬(Acinetobacter)、芽孢桿菌屬(Bacillus)等在好氧條件下均存在反硝化能力。但研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)好氧反硝化細菌所介導(dǎo)的反硝化作用需要更更多的碳源來支撐，在傳統(tǒng)的厭氧反硝化過程中，氧氣對電子的消耗抑制了反硝化過程中高價氮素的還原，而在好氧反硝化過程中，氧氣與高價氮素同時得到電子，充足的有機物提供的電子使得好氧反硝化菌的脫氮功能和生長均得到了實現(xiàn)。因此，當(dāng)存在足夠的易降解的有機碳源時，就能發(fā)生完全的好氧反硝化作用。
2.短程硝化反硝化
短程硝化反硝化工藝，是指在微生物的硝化過程中通過控制人工濕地系統(tǒng)中的環(huán)境條件，使銨態(tài)氮在轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮后不再繼續(xù)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，直接由亞硝態(tài)氮還原為氮氣，從而實現(xiàn)人工濕地的脫氮。相對于傳統(tǒng)的硝化反硝化過程而言，短程硝化反硝化過程減少了亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮這一過程，使反應(yīng)速度提高了1.5-2 倍，氧氣的消耗減少了25%，同時直接以亞硝態(tài)氮為底物進行反硝化能夠節(jié)省40%的有機碳源，還能減少50%的 N2O(溫室氣體)的產(chǎn)生量。
3.全程自養(yǎng)脫氮
全程自養(yǎng)脫氮(CANON)是在短程硝化反硝化和厭氧氨氧化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的人工濕地脫氮途徑，又被稱為“短程硝化--厭氧氨氧化耦合作用”，其主要驅(qū)動力是靠濕地基質(zhì)內(nèi)部微生物(AOB、NOB、Anammox菌)之間的競爭。通過控制人工濕地系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境，在微區(qū)內(nèi)通過短程硝化作用將銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，積累的亞硝態(tài)氮則在厭氧區(qū)與剩余的銨態(tài)氮發(fā)生厭氧氨氧化作用生成氮氣排出系統(tǒng)，從而達到除氮目的。全程自養(yǎng)脫氮工藝中參與反應(yīng)的微生物均為自養(yǎng)型微生物，所以幾乎不需要有機碳源的添加，且短程硝化作用需要在微氧環(huán)境中進行，所以需氧量較低，有研究表明，全程自養(yǎng)脫氮過程相對于硝化反硝化過程，能夠節(jié)省2/3的能耗。但全程自養(yǎng)脫氮過程的實現(xiàn)對環(huán)境條件要求苛刻，如溫度一般要求在30℃以上，亞硝態(tài)氮的濃度要求嚴格控制在15mg/以下，pH要求在7.5-8.0之間，同時對DO的精確控制至關(guān)重要，DO的在線濃度要維持在0.1mg/L左右;另一方面由于是自養(yǎng)型微生物，厭氧氨氧化菌的增值緩慢，造成全程自養(yǎng)脫氮過程啟動較難，在實際工程中的應(yīng)用比較少。
