在生物脱氮过程中，废水中的氨氮首先在好氧条件下被硝化细菌氧化成氮氧化物，然后在缺氧条件下被反硝化细菌还原成N2(脱氮)。硝化和反硝化可以在活性污泥反应器和生物膜反应器中进行。目前，活性污泥法是应用最广泛的方法。硝化细菌和反硝化细菌在同一活性污泥中。由于硝化细菌的好氧和自养特性明显不同于反硝化细菌的缺氧和异养特性，反硝化过程通常需要在两个反应器中独立进行(如巴登弗、UCT、双沟氧化沟工艺等)。)或在一个反应器(如丁苯橡胶)中顺序进行。当混合污泥进入缺氧池(或处于缺氧状态)时，反硝化细菌工作，硝化细菌处于抑制状态；当混合污泥进入好氧池(或处于好氧状态)时，情况正好相反。显然，如果同一污泥中两种性质不同的细菌(硝化细菌和反硝化细菌)能够在同一反应器中同时工作，形成同步硝化反硝化(SND)，活性污泥法的反硝化过程将会更加简化，效率将会大大提高。此外，从工程角度来看，硝化和反硝化在两个反应器中独立进行，或者在同一个反应器中顺序进行。反硝化过程中产碱会导致羟基积累和酸碱度升高，影响上述两级反应过程的反应速度，反硝化高氨氮废水时更为明显。

然而，对于SND工艺，反硝化产生的羟基可以中和原位硝化产生的氢，减少酸碱度的波动，从而既有利于生物反应过程，又提高了反应效率。由于硝化细菌的好氧特性，在曝气池中实现同步硝化反硝化是可能的。事实上，人们早已发现曝气池中氮的损失不均匀(根据控制条件，损失约为10% ~ 20%)。SND的研究也主要集中在氮的流失途径上，希望在不影响硝化效果的情况下提高曝气池的脱氮效率。(1)利用好氧条件下某些微生物种群的反硝化特性实现SND。结果表明，硫代球孢菌、鹦鹉热假单胞菌、单胞菌等微生物。可以在有氧条件下使用氮氧化物-氮进行脱氮。如果硝化细菌和反硝化细菌在同一个反应器(曝气池)中混合培养，可以实现单个反应器的同步硝化和反硝化。虽然这些微生物的纯培养结果令人满意，但一般认为实际应用中仍有距离，主要是因为这些细菌在实际污泥中的比例太小。(2)利用好氧活性污泥絮体中的缺氧区实现SND。曝气池中溶解氧一般保持在1 ~ 2毫克/升，活性污泥的大小有一定的尺度。由于扩散梯度的存在，污泥颗粒内部可能存在缺氧区，从而形成有利于脱氮的微环境。过去，曝气池中氮的损失主要是由这一点解释的，并被广泛接受。如果污泥颗粒内部的厌氧区增加，反硝化效率也会相应提高。大量研究结果表明，活性污泥的SND主要是由污泥絮体缺氧产生的。要实现高效脱氮，关键是如何在曝气条件下(不影响硝化效果)增加活性污泥颗粒内部缺氧区，实现脱氮。为了达到这个目的，有两种选择方法，即降低曝气池中混合液体的溶解氧浓度和增大活性污泥颗粒的尺寸。降低曝气池的溶解氧浓度，即降低O2的扩散驱动力，可以在曝气池内形成一个大的缺氧区，而不改变污泥粒径。丹麦生物平衡公司(BioBalance company)发明的SymBio工艺就是基于这一理论(曝气池中的溶解氧保持在1毫克/升以下)，但在低溶解氧浓度下硝化细菌的活性将为降低，丝状细菌如泥炭藓/1701和水丝菌容易形成s 此时，即使污泥规模较大，也能形成有利于脱氮的微环境，但外部碳已经耗尽，只能利用内部碳进行脱氮，内部脱氮反应速率小，因此SND效率低。在不连续的条件下，微生物的代谢模式是非常不同的。流入物中的碳源可以在非常短的时间内被微生物大量吸收，并以聚合物或原始基质的形式储存在体内，使得曝气池中的碳源浓度可以快速达到降低，为硝化反应创造了有利条件。如果颗粒污泥足够大以形成有利于脱氮的微环境，微生物可以使用预存的基质进行脱氮。由于脱氮作用在底物水平，脱氮速度快，脱氮效率高。好氧颗粒污泥培养活性污泥法的运行主要取决于反应器中形成的污泥质量。最新研究结果表明，活性污泥反应器可以在一定条件下培养高活性的SND颗粒污泥。其粒径约为500μm，沉降性能好，信噪比高。根据目前普遍接受的污泥絮凝物理论和曝气池中通常观察到的污泥粒径(约100μm)，可以看出，在一定的特定条件下，污泥颗粒的致密层可以进一步增大，从而形成SND颗粒污泥。其他研究结果表明，活性污泥絮体可以在反硝化条件下形成性能优异的颗粒污泥。过去，由于曝气池中水流的剧烈湍流和较大剪切力，污泥粒径在达到100μm后很难增大。微氧电极在颗粒中扩散溶解氧的研究结果表明，当溶解氧为1 ~ 2毫克/升时，污泥颗粒中O2的扩散深度约为100微米，因此，如果简单碳氧化曝气池中的污泥规模再次增大，内部将进入厌氧状态。目前，关于如何提高曝气池活性污泥规模的报道很少。摩根罗斯(Morgenroth)最近在厌氧颗粒污泥培养中采用水力筛选法，在以碳源为基质的通用串行总线反应器中培养好氧颗粒污泥。其粒径可达1 ~ 3毫米，具有优异的沉降性能。然而，由于曝气池中O2的供应是一个限制因素，当颗粒变大时，污泥的平均活性不高(曝气池中的大量污泥处于厌氧状态)，并且随着操作时间的延长，污泥活性可能进一步恶化。在SBR系统中缩短沉降时间可以拦截沉降速度较快的生物颗粒，培养的颗粒污泥可达3.3毫米(也只有0.3~0.5毫米)，几乎不含丝状菌，由细菌组成。颗粒化不是由微生物种类决定的，而是与操作条件相关的。曝气池中的搅拌强度或混合程度以及曝气产生的剪切力对颗粒污泥的形成有很大影响。好氧颗粒污泥的形成机理尚不完全清楚。在序批式反应器中，当溶解氧保持在0.7 ~ 1.0毫克/升一个月时，可以基本完成颗粒化，对化学需氧量、氨氮和总氮的去除率高达95%、95%和60%，颗粒中无丝状菌，SVI为80 ~ 100毫升/克，悬浮物为4 ~ 4.5克/升。在显微镜和曝气下可以观察到好氧颗粒污泥，即使在溶解氧为1毫克/升时，其活性也很高，有机物和氨氮负荷达到1.5公斤化学需氧量/(吨)能够形成好氧颗粒污泥的微生物不限于产甲烷菌。已经观察到酸化细菌、硝化细菌、反硝化细菌和好氧异养细菌也可以形成颗粒污泥。好氧颗粒污泥主要由无丝状菌的杆菌组成。这些都存在于连续运行中，目前也存在于SBR系统中(由于颗粒污泥的快速沉降，沉降时间也可以有效缩短)。