污水中氮主要以有機氮和氨氮形式存在，在污水處理設備中進行生物處理時，有機氮很容易通過微生物的分解和水解轉化成氨氮， 即氨化作用。傳統的硝化-反硝化生物脫氮的基本原理就在于通過硝化反應先將氨氮轉化為亞硝態氮、硝態氮，再通過反硝化反應將硝態氮、亞硝態氮還原成氣態氮從水中逸出，從而達到脫氮的目的。

一、氨化反應

在未經處理的生活污水中，含氮化合物存在的主要形式有：a.有機氮，如蛋白質、氨基酸、尿素、胺類化合物等；b.氨態氮NH3或NH4+。一般以有機氮為主。

含氮化合物在好氧或厭氧微生物的作用下，均可轉化為氨氮，在好氧條件下，有機氮可進行氧化脫氨和水解脫氨。在厭氧條件下，可進行還原脫氨、水解脫氨和脫水脫氨。

二、硝化反應

污水處理設備中的硝化反應是由自養型好氧微生物完成的，它包括兩個步驟：第一步是由亞硝酸菌將氨氮轉化為亞硝態氮；第二步則由硝酸菌將亞硝態氮進一步氧化為硝態氮。這兩類菌統稱為硝化菌，他們利用無機碳化物如碳酸根離子、碳酸氫根離子和二氧化碳作為碳源，從氨氣、銨離子或亞硝態氮的氧化反應中獲取能量，兩步反應均需在有氧條件下進行。

硝化過程的重要特征如下。

1、硝化菌分別從氧化氨氣和亞硝態氮的過程中獲得能量，碳源來自碳酸根離子、碳酸氫根離子和二氧化碳等。

2、硝化反應在好氧條件下進行，DO≥2mg/L,1g氨氮完全硝化需要4.57g氧氣，其中第一步反應消耗3.43g，第二步反應耗氧1.14g。

3、產生大量的質子，需要大量的堿中和，1克氨氮完全硝化需要堿度7.14g（以碳酸鈣計）。

4、細胞產率非常低，特別是在低溫的冬季。

三、反硝化反應

反硝化反應是由異養型反硝化菌完成的，它的主要作用是將硝態氮或亞硝態氮還原成氮氣，反應在無分子氧的條件下進行。反硝化菌大多是兼性的，在溶解氧濃度低的環境中，他們利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，有機物則作為碳源計電子供體提供能量并得到氧化穩定。

當污水處理設備中缺乏有機物時，無機物如氫、硫化鈉等也可作為反硝化反應的電子供體。微生物還可通過消耗自身的原生質進行所謂的內源反硝化，內源反硝化的結果是細胞物質的減少，并會有氨氣的產生，因此，處理中不希望此種反應占主導地位，而應為污水處理設備提供碳源。

反硝化過程的重要特征如下。

1、在厭氧池中缺氧或低氧狀態下，進行反硝化，若DO較高狀態則會進行有機物氧化，但是這種轉換不影響反硝化菌的活性。

2、反硝化過程中會消耗污水中的有機物，1克氨氮轉化為氮氣需提供有機物(BOD5)2.86克。

3、反硝化過程產生堿度，1克氨氮轉化為氮氣產生堿度（以碳酸鈣計）2.86克。

在AO一體化污水處理設備中硝化反硝化過程如下。在厭氧池中，有機氮被異養菌進行氨化，分解為氨態氮，之后污水進入好氧池，好氧池中通過鼓風曝氣形成好氧條件，氨態氮被自養菌進行硝化，氨態氮轉化為亞硝態氮和硝態氮。之后進入二沉池，通過污泥泵的回流，硝態氮回流到厭氧池，在缺氧或低氧條件下，硝態氮被異養菌進行反硝化作用，最后產生氣態氮，完成有機氮的消耗分解。