生物脱氮包括硝化和反硝化两个反应过程，步是由亚硝化菌将NH4+-N氧化为NO2--N的亚硝化过程；第二步是由硝化菌将NO2--N氧化为氧化为NO3--N的过程；然后通过反硝化作用将产生的NO3—N经由NO2--N转化为N2，NO2--N是硝化和反硝化过程的中间产物。1975年Voets等在处理高浓度氨氮废水的研究中，发现了硝化过程中NO2--N积累的现象，提出了短程硝化反硝化脱氮的概念。如图1所示。
比较两种途径，很明显，短程硝化反硝化比全程硝化反硝化减少了NO2-、NO3-和NO3- 、NO2-两步反应，这使得短程硝化反硝化生物脱氮具有以下优点：
1、可节约供氧量25%。节省了NO2-氧化为NO3-的好氧量。
2、在反硝化阶段可以节省碳源40%。在C/N比一定的情况下提高了TN的去除率。并可以节省投碱量。
3、由于亚硝化菌世代周期比硝化菌短，控制在亚硝化阶段可以提高硝化反应速度和微生物的浓度，缩短硝化反应的时间，而由于水力停留时间比较短，可以减少反应器的容积，节省基建投资，一般情况下可以使反应器的容积减少30%~40%。
4、短程硝化反硝化反应过程在硝化过程中可以减少产泥25%~34%，在反硝化过程中可以减少产泥约50%。
由于以上的优点，使得短程硝化-反硝化反应尤其适应于低C/N比的废水，即高氨氮低COD，既节省动力费用又可以节省补充的碳源的费用，所以该工艺在煤化工废水方面非常可行。
2、影响短程硝化反硝化的因素
2.1温度的影响
温度对微生物影响很大。亚硝酸菌和硝酸菌的适宜温度不相同，可以通过调节温度抑制硝酸菌的生长而不抑制亚硝酸菌的方法，来实现短程硝化反硝化过程。国内的高大文研究表明：只有当反应器温度超过28℃时，短程硝化反硝化过程才能较稳定地进行。
2.2 pH值的影响
pH较低时，水中较多的是氨离子和亚硝酸，这有利于硝化过程的进行，此时无亚硝酸盐的积累；而当pH较高时，可以积累亚硝酸盐。因此合适的pH环境有利于亚硝化菌的生长。pH对游离氨浓度也产生影响，进而也会影响亚硝酸菌的活性，研究表明：亚硝化菌的适宜pH值在8.0附近，硝化菌的pH值在7.0附近。因此，实现亚硝化菌的积累的pH值好在8.0左右。
2.3溶解氧（DO）的影响
DO对控制亚硝酸盐的积累起着至关重要的作用。亚硝化反应和硝化反应均是好氧过程，而亚硝酸菌和硝酸菌又存在动力学特征的差异：低DO条件下亚硝酸菌对DO的亲和力比硝酸菌强。可以通过控制DO使硝化过程只进行到氨氮氧化为亚硝态氮阶段，从而淘汰硝酸菌，达到短程硝化的目的。
2.4泥龄的影响
氨氮的硝化速率比亚硝态氮的氧化速率快，而亚硝酸菌的世代周期比硝化菌的世代周期短，因此可以通过控制HRT使泥龄在亚硝酸菌和硝酸菌的小停留时间之间，使亚硝酸菌成为优势菌种，逐步淘汰硝酸菌。
同步硝化反硝化
1、简介
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具有以下的一些优点：
1、 能有效地保持反应器中pH稳定，减少或取消碱度的投加；
2、减少传统反应器的容积，节省基建费用；
3、 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；
4、 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、同步硝化/反硝化的机理研究
2.1、宏观环境
生物反应器中的溶解氧DO主要是通过曝气设备的充氧而获得，无论何种曝气装置都无法使反应内氧气在污水中充分混匀。终形成反应器内部不同区域缺氧和好氧段，分别为反硝化菌和硝化菌的作用提供了优势环境，造成了事实上硝化和反硝化作用的同时进行。除了反应器不同空间上的溶氧不均外，反应器在不同时间点上的溶氧变化也可以导致同步硝化/反硝化现象的发生。Hyungseok Yoo 研究了SBR反应器在曝气反应阶段，反应器内DO浓度历经减小后逐渐升高，并伴随的同步硝化/反硝化现象。
2.2、微环境理论
缺氧微环境理论是目前已被普遍接受的一种机理，被认为是同步硝化/反硝化发生的主要原因之一。这一理论的基本观点认为：在活性污泥的絮体中，从絮体表面至其内核的不同层次上，由于氧传递的限制原因，氧的浓度分布是不均匀的，微生物絮体外表面氧的浓度较高，内层浓度较低。在生物絮体颗粒尺寸足够大的情况下，可以在菌胶团内部形成缺氧区，在这种情况下，絮体外层好氧硝化菌占优势，主要进行硝化反应，内层为异样反硝化菌占优势，主要进行反硝化反应(如图1)。除了活性污泥絮凝体外，一定厚度的生物膜中同样可存在溶氧梯度，使得生物膜内层形成缺氧微环境。
2.3 生物学解释
传统理论认为硝化反应只能由自养菌完成，反硝化只能在缺氧条件下进行，近年来，好氧反硝化菌和异样硝化菌的存在已经得到了证实。
3、同步硝化反硝化影响因素
实现SND的关键在于对硝化反硝化菌的培养和控制，目前国内外研究认为对影响硝化反硝化菌的因素如下。
3.1、溶解氧
DO的影响对同步硝化反硝化至关重要，研究表明，通过控制DO浓度，使硝化速率与反硝化速率达到基本一致才能达到佳效果。
3.2、有机碳源
有机碳源对整个同步硝化反硝化体系的影响尤为重要。研究表明，有机碳源含量低则反硝化满足不了要求；有机碳源含量高则不利于氨氮去除。
3.3、微生物絮体结构
微生物絮体结构不但影响生物絮体内DO的扩散，而且影响碳源的分布，絮体结构大小、密实度适中才有利于同步硝化反硝化。研究表明，微生物絮体的同步硝化反硝化能力随活性污泥絮体大小的增加而提高。
3.4、pH值
同步硝化反硝化值在7.5左右时合适。硝化菌适pH为8.0~8.4，而反硝化菌适pH为6.5~8.0.
3.5 温度
同步硝化反硝化温度在10~20℃时适。硝化菌在20~25℃时性能减退，亚硝化反之。25℃时亚硝化性能高。25℃后，亚硝酸菌受游离氨的抑制明显。
