传统生物脱氮方法在废水脱氮方面起到了一定的作用，但仍存在许多问题。如：氨氮完全硝化需消耗大量的氧，増加了动力消耗；对C/N比低的废水，需外加有机碳源；工艺流程长，占地面积大，基建投资高等。
近年来，生物脱氮领域开发了许多新工艺，主要有：同步硝化反硝化；短程硝化反硝化；厌氧氨氧化和全程自养脱氮。自20世纪80年代以来, 研究人员在一些没有明显缺氧及厌氧段的活性污泥法工艺中, 曾多次观察到氮的非同化损失现象, 即存在有氧情况下的反硝化反应、低氧情况下的硝化反应。在这些处理系统中,硝化和反硝化往往发生在相同的条件下或同一处理空间内, 这种现象被称作同步硝化反硝化(SND）,亦有研究人员将这种现象中的反硝化过程称之为好氧反硝化。工艺微生物学家在纯种培养的研究中发现，硝化细菌和反硝化细菌有非常复杂的生理多样性，如：Roberton和Lloyd等证明许多反硝化细菌在好氧条件下能进行反硝化；Castingnetti证明许多异养菌能进行硝化。这些新发现使得同时硝化反硝化成为可能，并奠定了SND生物脱氮的理论基础。硝化与反硝化的反应动力学平衡控制是同步硝化反硝化技术的关键。在该工艺中，硝化与反硝化反应在同一个构筑物中同时进行，与传统的工艺相比具有明显的优越性：（1）节省反应器体积和构筑物占地面积，减少投资；（2）可在一定程度上避免NO2-氧化成NO3-再还原成NO2-这两步多余的反应，从而可缩短反应时间，还可节省DO和有机碳；（3）反硝化反应产生的碱度可以弥补硝化反应碱度的消耗，简化pH调节，减少运行费用。MBBR工艺是同步硝化反硝化的典型工艺。MBBR工艺原理是通过向反应器中投加一定数量的悬浮载体，提高反应器中的生物量及生物种类，从而提高反应器的处理效率。由于填料密度接近于水，所以在曝气的时候，与水呈完全混合状态，微生物生长的环境为气、液、固三相。载体在水中的碰撞和剪切作用，使空气气泡更加细小，增加了氧气的利用率。另外，每个载体内外均具有不同的生物种类，内部生长一些厌氧菌或兼氧菌，外部为好养菌，这样每个载体都为一个微型反应器，使硝化反应和反硝化反应同时存在，从而提高了处理效果。
1975年，Voets等发现了硝化过程中亚硝酸盐积累的现象，并首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的概念。1986年Sutherson等证实了其可行性，国内外研究表明，与传统的硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有可减少25%左右的需氧量，降低能耗；节省反硝化阶段所需要的有机碳源，降低了运行费用；缩短HRT，减少反应器体积和占地面积；降低了污泥产量；硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和。因此，对许多低C/N比废水，目前比较有代表性的工艺有亚硝酸菌与固定化微生物单级生物脱氮工艺，单一反应器通过亚硝酸盐去除氨氮(SHARON)工艺。SHARON工艺是由荷兰Delft技术大学开发的一种新型脱氮工艺，其基本原理是在同一个反应器内，在有氧条件下，利用氨氧化菌将氨氮氧化成亚硝态氮，然后在缺氧条件下，以有机物为电子供体，将亚硝态氮反硝化成N2。将氨氧化控制在亚硝化阶段是该工艺的关键。(1)利用了温度这一重要因素，提高了亚硝酸细菌的竞争能力；(2)利用完全混合反应器在无污泥回流条件下污泥停留时间(SRT)与水力停留时间(HRT)的同一性，控制HRT大于亚硝酸细菌的世代时间，小于硝酸细菌的世代时间，实现硝酸细菌的“淘洗”，使反应器内主要为亚硝酸细菌；(3)控制较高的pH值，不仅抑制了硝酸细菌，也消除了游离亚硝酸(FNA)对亚硝酸细菌的抑制。尽管SHARON工艺按有氧/缺氧的间歇运行方式取得了较好的效果，但不能保证出水氨氮的浓度很低。该工艺更适于对较高浓度的含氨氮废水的预处理或旁路处理。
1994年，Kuenen等邸发现某些细菌在硝化反硝化反应中能利用硝酸盐或亚硝酸盐作电子受体将氨氮氧化成N2和气态氮化物；1995年，Mulder等人在研究脱氮流化床反应器时发现，氨氮可在厌氧条件下消失，氨氮的消失与硝氮的消耗同时发生并成正相关。不久，VandeGraaf等人进一步证实该过程是一个微生物反应，并且实验结果还表明，亚硝态氮是一个更为关键的电子受体。因此，可以把ANAMMOX完整的定义为，在厌氧条件下，微生物直接以氨氮作为电子供体，以亚硝态氮为电子受体，转化为Nz的微生物反应过程。ANAMMOX工艺主要采用流化床反应器，由于是在厌氧条件下直接利用氨氮作电子供体，无需供氧、无需外加有机碳源维持反硝化、无需额外投加酸碱中和试剂，故降低了能耗，节约了运行费用。同时还避免了因投加中和试剂有可能造成的二次污染问题。由于NH3-N和NO2-N同时存在于反应器中，因此，ANAMMOX工艺与一个前置的硝化过程结合在一起是非常必要的，并且，硝化过程只需将部分的NH3-N氧化为NO2-N。据此，荷兰Delft技术大学开发了SHARON-ANAMMOX联合工艺，该联合工艺利用SHARON反应器的出水作为ANAMMOX反应器的进水，具有耗氧量少、污泥产量低、不需外加有机碳源等优点，有很好的应用前景，成为生物脱氮领域内的一个研究重点。与其它工艺相比，全程自养脱氨氮系统的优点主要表现在：(1)不必外加有机碳源。因此，在处理低C/N比废水时能节省大量能源；(2)对亚硝氮的供应没有要求，含有高氨氮的废水可直接进入反应器；(3)尽管该系统要求限氧，但不严格要求厌氧，因此，在实际操作中，氧气的控制比较容易。目前，全程自养脱氨氮系统的处理能力仍然很低，对其机理也不十分明确，但污泥接种体比较容易大量生长，接种的硝化污泥很容易在活性污泥中产生，这表明该系统可应用于工程实践。氧限制自养硝化反硝化(OLAND)工艺是全程自养脱氮的典型工艺。Kuai等人提出了OLAND工艺，该工艺的关键是在活性污泥反应器中控制溶解氧，使硝化过程仅进行到氨氮氧化为亚硝酸盐阶段，由于缺乏电子受体，由NH3-N氧化产生的NO2-N氧化未反应的NH3-N形成N2。该反应机理为由亚硝酸菌(Nitrosomonas)催化的NO2-的歧化反应。研究表明，亚硝酸菌与硝酸细菌对氧的亲和力不同，亚硝酸菌氧饱和常数一般为0.2~0.4mg/L，硝酸菌的为1.2-1.5mg/L，在低DO条件下，亚硝酸细菌与硝酸细菌的增长速率均下降，然而硝酸细菌的下降比亚硝酸细菌要快，导致亚硝酸细菌的增长速率超过硝酸细菌，使生物膜上的细菌以亚硝酸细菌为主体，出现亚硝酸盐氮积累。OLAND工艺就是利用这2类菌动力学特性的差异，以淘汰硝酸菌，使亚硝酸大量积累。但迄今为止，还不清楚这些微生物群体是否与正常的硝化菌有关联。OLAND工艺是在低DO浓度下实现维持亚硝酸积累，但是活性污泥易解体和发生丝状膨胀。因此，低DO对活性污泥的沉降性、污泥膨胀等的影响仍有待进一步的研究。
