一、硝化細菌

硝化反應過程：在有氧條件下，氨氮被硝化細菌所氧化成為亞硝酸鹽和硝酸鹽。他包括兩個基本反應步驟：由亞硝酸菌（Nitrosomonas sp）參與將氨氮轉化為亞硝酸鹽的反應；硝酸菌（Nitrobacter sp）參與的將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽的反應，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養菌，它們利用CO₂、CO₃^2-、HCO₃^-等做為碳源，通過NH₃、NH₄⁺、或NO₂^-的氧化還原反應獲得能量。硝化反應過程需要在好氧（Aerobic或Oxic）條件下進行，并以氧做為電子受體，氮元素做為電子供體。其相應的反應式為：

亞硝化反應方程式：

55NH₄⁺+76O₂+109HCO₃→C₅H₇O₂N﹢54NO₂-+57H₂O+104H₂CO₃

硝化反應方程式：

400NO₂^-+195O₂+NH₄^-+4H₂CO₃+HCO₃^-→C₅H₇O₂N+400NO₃^-+3H₂O

硝化過程總反應式：

NH₄^-+1.83O₂+1.98HCO₃→0.021C₅H₇O₂N+0.98NO₃^-+1.04H₂O+1.884H₂CO₃

通過上述反應過程的物料衡算可知，在硝化反應過程中，將1克氨氮氧化為硝酸鹽氮需好氧4.57克（其中亞硝化反應需耗氧3.43克，硝化反應耗氧量為1.14克），同時約需耗7.14克重碳酸鹽（以CaCO₃計）堿度。

在硝化反應過程中，氮元素的轉化經歷了以下幾個過程：氨離子NH4-→羥胺NH₂OH→硝酰基NOH→亞硝酸鹽NO₂-→硝酸鹽NO₃^-。

二、反硝化細菌

反硝化反應過程：在缺氧條件下，利用反硝化菌將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氮氣而從無水中逸出，從而達到除氮的目的。

反硝化是將硝化反應過程中產生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣的過程，反硝化菌是一類化能異養兼性缺氧型微生物。當有分子態氧存在時，反硝化菌氧化分解有機物，利用分子氧作為最終電子受體，當無分子態氧存在時，反硝化細菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N₃⁺和N₅⁺做為電子受體，O₂^-作為受氫體生成水和OH^-堿度，有機物則作為碳源提供電子供體提供能量并得到氧化穩定，由此可知反硝化反應須在缺氧條件下進行。從NO₃^-還原為N₂的過程如下：

NO₃-→NO₂-→NO→N₂O→N₂

反硝化過程中，反硝化菌需要有機碳源（如碳水化合物、醇類、有機酸類）作為電子供體，利用NO₃^-中的氧進行缺氧呼吸。其反應過程可以簡單用下式表示：

NO₃-+4H(電子供體有機物)→ 1/2N₂+H₂O+2OH^-

NO₂-+3H(電子供體有機物)→ 1/2N₂+H₂O+OH^-

污水中含碳有機物做為反硝化反應過程中的電子供體。由上式可知，每轉化1gNO₂^-為N₂時，需有機物（以BOD表示）1.71g;每轉化1gNO₃^-為N₂時，需有機物（以BOD表示）2.86g。同時產生3.57g重碳酸鹽堿度（以CaCO₃計）。

如果污水中含有溶解氧，為使反硝化完全，所需碳源有機物（以BOD表示）用下式計算：

C=2.86Ni+1.71N0+DO0

其中：

C為反硝化過程有機物需要量（以BOD表示），mg/l;

Ni為初始硝酸鹽氮濃度（mg/l）

N0為初始亞硝酸鹽氮濃度（mg/l）

DO0為初始溶解氧濃度（mg/l）

如果污水中碳源有機物濃度不足時，應補充投加易于生物降解的碳源有機物（甲醇、乙醇或糖類）。以甲醇為例，則

NO₃-+1.08CH₃OH+0.24H₂CO₃→0.056C₅H₇O₂N+0.47N₂↑+1.68H₂O+HCO₃-

如果水中有NO₂^-,則會發生下述反應：

NO₂-+0.67CH₃OH+0.53H₂CO₃→0.04C5H₇O₂N+0.48N₂↑+1.23H₂O+HCO₃^-

由上式可見，每還原1gNO₂^-和1gNO₃^-分別需要消耗甲醇1.53g和2.47g。

當水中有溶解氧存在時，氧消耗甲醇的反應式為：

O₂+0.93CH₃OH+0.056NO₃-→0.056C₅H₇O₂N+1.64H₂O+0.056HCO₃-+0.59H₂CO₃

綜上所述，可得反硝化過程需要有機碳源（甲醇）的投加量公式為：

Cm=2.47Ni+1.53N0+DO0

其中：

Cm為反硝化過程中需要的甲醇濃度（mg/l）

其余符號同上

綜上所述，硝化反應每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗堿度7.14g,表現為PH值下降，在反硝化過程中，去除硝酸鹽氮的同時去除碳源，這部分碳源折合DO2.6g,另外，反硝化過程中補償堿度3.57g。