传统的生物脱氮工艺基本原理是在二级生物处理过程中，先将有机氮转化为氨氮，再通过硝化菌和反硝化菌的作用将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮，最终通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气完成脱氮。因为硝化与反硝化反应的进行存在相互制约的关系；在有机物大量存在的情况下，自养硝化菌对氧气和营养物的竞争力不如好养异养菌，无法占据主导地位；反硝化需要有机物作为电子供体，但是硝化过程去除了大量的有机物，导致反硝化过程中碳源缺乏，所以为平衡两单元的不同需求，发展出多种生物脱氮方法相结合的工艺。
传统的生物脱氮工艺主要依靠调整工艺流程来缓解硝化菌反应环境和反硝化菌反应环境之间存在的矛盾。如果硝化反应阶段在前，则需要外加电子供体例如甲醇等物质，提高了运行费用；如果硝化反应阶段在后，则需要将硝化废水回流，容易产生污泥上浮并且需要提高回流比以获得更高的去除率。这个矛盾在处理氨氮浓度较低的市政废水中尚不明显，但在处理垃圾渗滤液、畜牧废水等高浓度氨氮废水时，极大的限制了系统脱氮效率。
近年来通过理论研究和实践创新，人们发现了一些与传统生物脱氮理论相反的生物脱氮方法，如SND工艺、SHARON工艺、ANAMMOX工艺、SHARON-ANAMMOX组合工艺、OLAND工艺、CANON工艺。
1、同步硝化反硝化（SND）脱氮工艺
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，人们就从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能有效地保持反应器中pH稳定，减少或取消碱度的投加；减少传统反应器的容积，节省基建费用；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；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、短程硝化脱氮（SHARON）工艺
SHARON工艺即短程硝化脱氮工艺，是荷兰Delft技术大学年提出开发的新型生物脱氮工艺。基本原理是在同一个反应器内，在有氧的条件下，自养型亚硝酸菌将NH3-N转化为NO2-，然后在缺氧条件下，异养型反硝化菌以有机物为电子供体，以NO2-为电子受体，将NO2-转化为N2。其理论基础是亚硝酸型硝化反硝化技术，生化反应可用下式表示：
该工艺的关键是如何将氨氧控制在亚硝酸阶段，并持久维持在较高浓度的亚硝酸盐积累。
该工艺使用无需污泥停留的CSTR反应器，在较短的HRT和30～40摄氏度的条件下，通过“洗泥”的方式进行种群筛选，产生大量的亚硝酸菌。SHARON工艺适用于高浓度氨（mg/L）废水的处理，尤其适用于具有脱氨要求的预处理或旁路处理。该工艺与传统工艺相比可节省供氧量25%，可节省反硝化碳源40%。
3、厌氧氨氧化（ANAMMOX）工艺
ANAMMOX工艺是荷兰Delft大学年提出的一种新型脱氮工艺。在厌氧条件下，微生物以NH3-N为电子供体，NO2-为电子受体，把NH3-N、NO2-转化为N2的过程。其生化反应可由下式表示：
厌氧氨氧化过程中起作用的微生物是ANAMMOX菌。该菌是专性厌氧化学无机自养细菌，生长十分缓慢，在实验室的条件下世代期为2～3周，厌氧氨氧化过程的生物产量很低，相应污泥产量也很低。
ANAMMOX工艺的影响因素主要集中在系统环境对ANAMMOX菌的抑制。主要影响因素包括反应器的生物量、基质浓度、ph值、温度、水力停留时间和固体停留时间等。
该工艺相比传统的脱氮过程，耗氧下降62.5%，不需要外加碳源，节约成本，不需调节ph值降低运行费用。但是也存在不足：工艺还没有实现实用化和长期稳定运行，ANAMMOX菌生长缓慢，启动时间长，为保持反应器内足够多的生物量，需要有效的截留污泥等。
4、亚硝酸型硝化-厌氧氨氧化脱氮（SHARON-ANAMMOX）技术
SHARON工艺可以通过控制温度、水力停留时间、pH等条件，使氨氧化控制在亚硝化阶段。目前尽管SHARON工艺以好氧/厌氧的间歇运行方式处理富氨废水取得了较好的效果，但由于在反硝化期需要消耗有机碳源，并且出水浓度相对较高，因此目前很多研究改为以SHARON工艺作为硝化反应器,而ANAMMOX工艺作为反硝化反应器进行组合工艺的研究。通常情况下SHARON工艺可以控制部分硝化，使出水中的NH3-N与NO2-比例为1∶1,从而可以作为ANAMMOX工艺的进水，组成一个新型的生物脱氮工艺，其反应如下式所示：
SHARON-ANAMMOX的组合工艺具有耗氧量少、污泥产量少、不需外加碳源等优点，是迄今为止最简捷的生物脱氮工艺，具有很好的应用前景。
5、限制自养硝化反硝化（OLAND）工艺
根据亚硝酸型硝化—厌氧氨氧化脱氮技术原理,比利时Gent大学微生物生态实验室开发出OLAND工艺（限制自养硝化反硝化)，具有耗氧量少、污泥产量少、不需外加碳源等优点。
OLAND工艺是限氧亚硝化与厌氧氨氧化相关联的一种新颖的生物脱氮反应工艺，该工艺分两个过程进行：
第一步是在限氧条件下将废水中的部分氨氮氧化为亚硝酸盐氮；
第二步是在厌氧条件下亚硝酸盐氮与剩余氨氮发生厌氧氨氧化反应(ANAMMOX)，从而去除含氮污染物。其机理是由亚硝化细菌对亚硝酸盐氮催化进行歧化反应。总反应式为：
该工艺的核心技术是在限氧亚硝化阶段通过严格控制溶解氧水平，将近50%的NH3-N转化为NO2-，实现硝化阶段稳定的出水比例[NH3-N：NO2-=1:1]，从而为厌氧氨氧化阶段提供理想的进水，提高整个工艺的脱氮效率。
相比传统工艺，OLAND工艺可以节省62.5%的耗氧量，不需要加入外加有机碳源，产生的污泥量也很少，可有效减低运行成本。与SHARON-ANAMMOX组合工艺相比，可节省37.5%的能耗，在较低温度（22～30摄氏度）仍可获得较好的脱氮效果，在两阶段悬浮式生物膜脱氮系统中，内浸式生物膜的加入克服了SHARON-ANAMMOX组合工艺中生物量流失的缺点，避免了硝化阶段的微生物对厌氧氨氧化阶段微生物的影响，使反应过程更加容易控制，增加了脱氮反应过程的稳定性。
OLAND工艺在混合菌群连续运行的条件下尚难以对氧和污泥的pH值进行良好的控制，若工艺运行过程中可以通过化学计量方法合理地控制氧的供给则可有效地控制在亚硝化阶段。同时，该工艺仅在生物膜系统中获得了良好的效果，在悬浮系统中低氧下活性污泥的沉降性、污泥膨胀以及同步硝化反硝化等问题仍有待于进一步研究与完善。在实际应用中，由于厌氧氨氧化阶段的生物量生长非常缓慢，同SHARON-ANAMMOX组合工艺一样仍然存在着启动时间长的问题(=d)。
6、单级全程自养脱氮（CANON）工艺
年THIRDKA等首先提出，CANON是一种基于亚硝酸氮的单级全程自养脱氮工艺，其理论基础是在一体化反应器体系内同时实现半短程硝化与厌氧氨氧化反应。在生物膜表面或颗粒污泥表面，由于处于低溶解氧环境，部分氨氮在氨氧化菌的作用下被氧化成亚硝酸氮；在生物膜内部或颗粒污泥内部，由于处于厌氧环境，产生的亚硝酸氮和剩余氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下反应生成氮气，并产生很少量的硝酸氮，从而实现氨氮从废水中的去除。
该工艺去除氨氮的影响因素有温度、DO、ph值、水中游离氨（FA）、有机物、重金属离子、重金属沉淀物等。CANON工艺虽然革新了传统生物脱氮的思路，但要大规模工程化还存在一些局限性。例如启动周期长，厌氧氨氧化反应阶段的功能菌AnAOB增殖缓慢，世代时间为7～14d，是反硝化菌的几十倍，因此富集培养困难，世界上第一个生产性装置启动时间长达3.5年；其次温度要求高，现已报道的CANON工艺基本都是30℃以上，并不是所有废水都能达到该标准，若加热势必会带来能耗增加，运行易失稳，由于亚硝酸盐积累而进行排泥，结果降低了反应器的生物质浓度造成系统失稳；还会排放温室气体N2O。
CANON工艺是迄今为止更为新型的生物脱氮方法，与传统的生物脱氮工艺相较有明显的优势，因而有广阔的应用前景，目前CANON已逐步向实际工程推进，但作为一项新型脱氮工艺，其还存在一些问题尚需改进与解决。