硝酸鹽氮是水體中氮素循環的重要形態，也是衡量水質有機污染程度的關鍵指標之一。過量的硝酸鹽氮進入水體后，不僅直接威脅飲用水安全——硝酸鹽在人體內可被還原為亞硝酸鹽，進而導致高鐵血紅蛋白血癥（俗稱“藍嬰綜合征”）；同時作為植物營養鹽，其濃度升高將加速水體富營養化進程，引發藻類過度繁殖與水華爆發。傳統的物理化學脫氮方法（如加堿吹脫、折點加氯等）雖有一定效果，但存在能耗高、二次污染或運行成本昂貴等弊端。

相比之下，生物脫氮技術利用微生物的代謝活動將硝酸鹽氮轉化為無害的氮氣或微生物自身組分，具有經濟高效、環境友好、可持續性強等顯著優勢。以下從反硝化、厭氧氨氧化及生物同化等主要途徑，系統闡述降低水體硝酸鹽氮含量的生物方法。

異養反硝化：傳統主流脫氮途徑

異養反硝化是目前應用最為廣泛的生物脫氮技術。其核心原理是：在缺氧條件下，異養反硝化菌以硝酸鹽（NO??）或亞硝酸鹽（NO??）作為最終電子受體，以有機碳源作為電子供體和能量來源，將硝酸鹽氮逐步還原為氣態氮（N?）釋放至大氣。這一過程可概括為：NO?? → NO?? → NO → N?O → N?。

異養反硝化的實施需要滿足兩個核心條件：一是缺氧環境（溶解氧濃度通常低于0.5 mg/L），以保證反硝化菌優先以硝酸鹽為電子受體；二是有充足的有機碳源供給。在實際應用中，當廢水本身碳氮比（C/N）不足時，需額外投加甲醇、乙酸鈉、葡萄糖等外碳源。近年來，緩釋碳源技術（如以瓊脂、可生物降解聚合物PCL為載體）的發展，實現了碳源的緩慢釋放與持續供給，有效解決了碳源投加過量或不足的問題。

工程實踐中，異養反硝化已形成多種成熟工藝，包括前置反硝化（A/O工藝）、A2/O工藝以及曝氣生物濾池等。研究表明，在優化的碳氮比、溫度和pH條件下，高效反硝化菌株對硝酸鹽氮的去除率可達95%以上。

自養反硝化：低碳氮比水體的有效方案

對于碳氮比較低的水體（如地下水、部分工業廢水），傳統異養反硝化因碳源不足而受限。自養反硝化技術為此提供了有效解決方案。自養反硝化菌利用無機物（如硫化物、氫氣、單質鐵等）作為電子供體，以無機碳（如CO?、HCO??）作為碳源，在缺氧條件下將硝酸鹽還原為氮氣。

自養反硝化的主要技術路徑包括硫自養反硝化和氫自養反硝化。硫自養反硝化以硫磺或硫化物為電子供體，具有無需外加有機物、污泥產量低等優點，適用于地下水及地表水的硝酸鹽污染修復。電極生物膜法則是氫自養反硝化的典型代表，通過在電極表面富集氫營養型反硝化菌，利用電解水產生的氫氣作為電子供體進行脫氮，具有處理費用低、效果穩定、無需外加碳源等突出特點。此外，鐵基自養反硝化（硝酸鹽依賴型亞鐵氧化）作為一種新興技術，在低碳氮比廢水的深度脫氮中展現出良好潛力。

厭氧氨氧化：節能高效的新型脫氮工藝

厭氧氨氧化（Anammox）是近年來生物脫氮領域最具突破性的技術之一。其原理是在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌以亞硝酸鹽（NO??）為電子受體，將氨氮（NH??）直接氧化為氮氣。雖然該工藝主要針對氨氮的去除，但在與短程反硝化耦合后，可實現對硝酸鹽氮的高效去除。

短程反硝化耦合厭氧氨氧化（PD-A）工藝的技術路徑為：首先通過短程反硝化將部分硝酸鹽（NO??）還原為亞硝酸鹽（NO??），隨后厭氧氨氧化菌利用該亞硝酸鹽與廢水中的氨氮反應生成氮氣。與傳統的全程反硝化相比，PD-A工藝具有外加碳源和曝氣成本較低、亞硝酸鹽生成穩定高效、總氮去除率高、溫室氣體N?O排放少等顯著優勢。該工藝尤其適用于碳氮比低、氨氮與硝酸鹽共存的水質條件。