在廢水生物脫氮系統中，不但要去除含碳有機物，還要將廢水中的有機氮和氨氨通過生物硝化反硝化作用轉化為氮氣，最終從廢水中除去。生物脫氮包括下面三個過程。
①同化過程。廢水中一部分氨氮被同化為新細胞物質，以廢棄污泥形式去除。
②硝化過程。即硝化菌將氨氧化為硝態氮。
③反硝化過程。即反硝化菌將硝態氮轉化為一氧化氮、一氧化二氮和氮氣（主要為氮氣），然后使氮氣從廢水中釋入大氣。利用這三個過程進行生物脫氮的工藝流程有三種基本類型。
（1）生物脫氮工藝 生物脫氮方式中，將含碳有機物的氧化、硝化和反硝化在一個活性污泥系統中實現，這是一種單污泥（single-sludge）硝化／反硝化脫氮工藝。所謂單污泥，意味著系統中只有一個泥水分離裝置，即只有一個二沉池。單污泥脫氮系統不需要補充外加碳源，利用廢水中的含碳有機物或微生物內源代謝產物作為NO3-N反硝化電子供體。與單污泥脫氮系統相對應還有雙污泥脫氮系統。在雙污泥（two-sludge）脫氮系統中，好氧反應器和缺氧反應器有各自的泥水分離裝置，即有兩個二沉池，從而產生兩種活性污泥。
脫氮系統有許多種形式，如以微生物代謝產物為反硝化碳源的 Wuhrmann工藝、以廢水中古碳有機物為反硝化碳源的Ludzack-Ettinger工藝、改良 Ludzack-Ettinger 工藝（A／O）、厭氧／缺氧／好氧（A2／O）工藝、VIP（Virginia Initiative Plant）工藝和 UCT （University of Cape Twon）工藝。
這些工藝中只有一個缺氧池（區）。Bardenpho生物脫氮工藝和改良UCT工藝是有兩個缺氧池（區）的單污泥脫氮系統。此外還有多缺氧池（區）的單污泥脫氮系統，其他如氧化溝、序批式活性污泥法（SBR）和循環曝氣系統（Cyclical Aerated System）。
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