在好氧条件下，通过自养型微生物亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用，将氨氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的过程，叫做硝化反应。

　　硝化反应分为硝化和反硝化两个阶段。

　　1、硝化反应过程

　　在有氧条件下，氨氮被硝化细菌所氧化成为亚硝酸盐和硝酸盐。他包括两个基本反应步骤：由亚硝酸菌（NITROSOMONASSP）参与将氨氮转化为亚硝酸盐的反应；硝酸菌（NITROBACTERSP）参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应，亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌，它们利用CO2、CO32-、HCO3-等做为碳源，通过NH3、NH4+、或NO2-的氧化还原反应获得能量。硝化反应过程需要在好氧（AEROBIC或OXIC）条件下进行，并以氧做为电子受体，氮元素做为电子供体。其相应的反应式为：

　　亚硝化反应方程式：

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

　　硝化反应方程式：

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

　　硝化过程总反应式：

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

　　通过上述反应过程的物料衡算可知，在硝化反应过程中，将1克氨氮氧化为硝酸盐氮需好氧4.57克（其中亚硝化反应需耗氧3.43克，硝化反应耗氧量为1.14克），同时约需耗7.14克重碳酸盐（以CaCO3计）碱度。

　　在硝化反应过程中，氮元素的转化经历了以下几个过程：氨离子NH4-→羟胺NH2OH→硝酰基NOH→亚硝酸盐NO2-→硝酸盐NO3-。

　　2、反硝化反应过程

　　在缺氧条件下，利用反硝化菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气而从无水中逸出，从而达到除氮的目的。

　　反硝化是将硝化反应过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的过程，反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物。当有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体，当无分子态氧存在时，反硝化细菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N3+和N5+做为电子受体，O2-作为受氢体生成水和OH-碱度，有机物则作为碳源提供电子供体提供能量并得到氧化稳定，由此可知反硝化反应须在缺氧条件下进行。从NO3-还原为N2的过程如下：NO3-→NO2-→NO→N2O→N2反硝化过程中，反硝化菌需要有机碳源（如碳水化合物、醇类、有机酸类）作为电子供体，利用NO3-中的氧进行缺氧呼吸。其反应过程可以简单用下式表示：

　　NO3-+4H(电子供体有机物)→1/2N2+H2O+2OH-+NO2-+3H(电子供体有机物)→1/2N2+H2O+OH-

　　污水中含碳有机物做为反硝化反应过程中的电子供体。由上式可知，每转化1gNO2-为N2时，需有机物（以BOD表示）1.71g;每转化1gNO3-为N2时，需有机物（以BOD表示）2.86g。同时产生3.57g重碳酸盐碱度（以CaCO3计）。如果污水中含有溶解氧，为使反硝化完全，所需碳源有机物（以BOD表示）用下式计算：

　　C=2.86Ni+1.71N0+DO0

　　其中：C为反硝化过程有机物需要量（以BOD表示），mg/l;Ni为初始硝酸盐氮浓度（mg/l）N0为初始亚硝酸盐氮浓度（mg/l）DO0为初始溶解氧浓度（mg/l）如果污水中碳源有机物浓度不足时，应补充投加易于生物降解的碳源有机物（甲醇、乙醇或糖类）。以甲醇为例，则

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

　　如果水中有NO2-,则会发生下述反应：

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

　　由上式可见，每还原1gNO2-和1gNO3-分别需要消耗甲醇1.53g和2.47g。

　　当水中有溶解氧存在时，氧消耗甲醇的反应式为：

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

　　综上所述，可得反硝化过程需要有机碳源（甲醇）的投加量公式为：Cm=2.47Ni+1.53N0+DO0

　　其中：Cm为反硝化过程中需要的甲醇浓度（mg/l）其余符号同上综上所述，硝化反应每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗碱度7.14g,表现为PH值下降，在反硝化过程中，去除硝酸盐氮的同时去除碳源，这部分碳源折合DO2.6g,另外，反硝化过程中补偿碱度3.57g。

　　硝化菌对于pH值得变化非常敏感，pH值过高过低都不利于反应的进行，反硝化菌最适宜的pH值是6.5-7.5，在这个pH值条件下，反硝化速率最高；当PH值高于8或低于6时，反硝化速率将很快下降。