污水生物脫氮主要是靠一些專性細菌將含氮有機物最終轉化為氮氣，從污水中去除的過程。含氮有機化合物在微生物的作用下首先分解轉化為氨態氮NH4+或NH3，這一過程稱為“氨化反應”。
硝化細菌把氨氮轉化為硝酸鹽，這一過程稱為“硝化反應”；反硝化細菌把硝酸鹽轉化為氮氣，這一反應稱為“反硝化反應”
硝化過程
硝化菌把氨氮轉化為硝酸鹽的過程稱為硝化過程，硝化是一個兩步過程，分別利用了兩類微生物——亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌。這兩類細菌統稱為硝化菌，這些細菌所利用的碳源是CO32-、HCO3-和CO2等無機碳。
第一步由亞硝酸鹽菌把氨氮轉化為亞硝酸鹽，第二步由硝酸鹽菌把亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽。這兩個過程會釋放能量，硝化菌就是利用這些能量合成新細胞和維持正常的生命活動，氨氮轉化為硝態氮并不是去除氮而是減少了它的需氧量。氧化1g氨氮大約需要消耗4.33gO2和8.64gHCO3-（相當于7.14gCaCO3堿度）。
硝化過程影響因素
溫度
硝化反應最適宜的溫度范圍是25~35℃，溫度不但影響硝化菌的增長速率，而且會影響硝化菌的活性。
溶解氧
硝化反應必須在好氧條件下進行，溶解氧濃度為0.5~0.7mg/L是硝化菌可以容忍的極限，溶解氧低于2mg/L條件下，氮有可能被完全硝化，但需要較長的污泥停留時間，因此一般應維持混合液的溶解氧濃度在2mg/L以上。
PH和堿度
硝化菌對pH特別敏感，硝化反應的最佳pH是在7.5~8之間。每硝化1g氨氮大約需要消耗7.14gCaCO3堿度，如果污水沒有足夠的堿度進行緩沖，硝化反應將導致pH值下降、反應速率減慢。
有毒物質
過高的氨氮、重金屬、有毒物質及某些有機物質對硝化反應都有抑制作用。
泥齡
一般來說，系統的泥齡應為硝化菌世代周期的兩倍以上，一般不得小于3~5d，冬季水溫低時要求泥齡更長，為保證一年四季都有充分的硝化反應，泥齡通常都大于10d。
反硝化過程
反硝化過程是反硝化菌異化硝酸鹽的過程，即由硝化菌產生的硝酸鹽和亞硝酸鹽在反硝化菌的作用下，被還原為氮氣后從水中溢出的過程。
反硝化過程主要在缺氧狀態下進行，溶解氧的濃度不能超過0.5mg/L，否則反硝化過程就要停止。反硝化也分為兩步，第一步由硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽，第二步由亞硝酸鹽轉化為一氧化氮、氧化二氮和氮氣。
反硝化過程影響因素
溫度
反硝化的最適宜溫度范圍是30~40℃。
溶解氧
為了保證反硝化過程的進行，必須保持嚴格的缺氧狀態，保持氧化還原電位為-50~-110mV；為使反硝化反應正常進行，懸浮型活性污泥系統中的溶解氧保持在0.5mg/L以下；附著性生物處理系統可以容許較高的溶解氧濃度，一般低于1mg/L。
PH值
最佳范圍在6.8~7.5，每g硝態氮被還原，產生3.57g堿度。碳氮比BOD5與TKN的比值是C/N，C/N不同直接影響脫氮效果。理論上將1g硝酸鹽氮轉化為氮氣需要碳源物質BOD5為2.86g，實際需要控制到4:1以上。
硝化液回流量
反硝化需要以硝酸鹽為底物，保持足夠的硝酸鹽濃度，反硝化效率才會達到最大化。一般認為回流量控制在100-400%，需要根據進水負荷調整。
