在好氧條件下，通過自養型微生物亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌的作用，將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的過程，稱為生物硝化作用。
硝化反應包括亞硝化和硝化兩個步驟:
在缺氧條件下，由于兼性脫氮菌(反硝化菌)的作用，將NO2--N和NO3--N還原成N2的過程，稱為反硝化。反硝化菌為異養型微生物，在缺氧狀態時，反硝化菌利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，以有機物作為電子供體提供能量并被氧化穩定。
反硝化反應方程式為：
NO2-+3H(電子供給體-有機物) → 0.5 N2+H2O+OH-
NO3-+5H(電子供給體-有機物) → 0.5 N2+2H2O+OH-
短程硝化是指NH3生成亞硝酸根，不再生產硝酸根；而由亞硝酸根直接生成N2，稱為短程反硝化。短程硝化反硝化是指NH3---NO2----N2，即可以從水中氨氮去除的一種工藝。
影響因素：
1、 pH
硝化反應的適宜的pH值為7.0～8.0之間，其中亞硝化菌7.0～7.8時，活性最好；硝化菌在7.7～8.1時活性最好。當pH降到5.5以下，硝化反應幾乎停止。反硝化細菌最適宜的pH值為7.0～7.5之間?？紤]到硝化和反硝化兩過程中堿度消耗與產生的相互性，同步硝化與反硝化的最適的pH值應為7.5左右。
2、溶解氧（DO）
硝化過程的DO應保持在2～3mg/L，反硝化過程的DO應保持0.2～0.5mg/L。
反應池內溶解氧的高低，必將影響硝化反應的進程，溶解氧質量濃度一般維持在2～3mg/L，不得低于1mg/L，當溶解氧質量濃度低于0.5～0.7mg/L時，氨的硝態反應將受到抑制。反硝化通常需在缺氧條件下進行，溶解氧對反硝化有抑制作用，主要是由于氧會與硝酸鹽競爭電子供體，同時分子態氧也會抑制硝酸鹽還原酶的合成及其活性。
3、溫度
生物硝化反應適宜的溫度在20～30℃，反硝化適宜溫度在30℃左右。
亞硝酸菌最佳生長溫度為35℃，硝酸菌的適宜溫度為20～40℃。15℃以下時，硝化反應速度急劇下降。溫度對反硝化速率的影響很大，低于5℃或高于40℃，反硝化的作用幾乎停止。
4、 堿度
一般污水處理廠堿度應維持在200mg/L左右。
NH4++1.83O2+1.98HCO3-→0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.884H2CO3
NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.06C5H7NO2 +0.47N2+1.68H2O+HCO3-
在反硝化過程中，將1g硝酸鹽氮還原成氮氣，約產生3.57g堿（以CaCO3計），需要有機物（BOD5）約為2.86g。
微生物降解1 mg有機碳源BOD5，約產生0.1 mg堿度（以CaCO3計）。
5、碳氮比（C/N）
控制硝化過程的5<BOD5/TKN<8。
硝化細菌為自養菌，在硝化池中有機碳含量不宜過高，否則異養好氧菌繁殖速率過快，硝化菌難成為優勢菌種；反硝化細菌為異養菌，有機碳源是反硝化細菌的電子供體提供者。有機碳源越充分，C/N越高，反硝化作用越明顯，TN的去除率也越高。當BOD5/TN>3時，碳源充足，無需補充外加碳源；BOD5/TN<3時，需要補充外加碳源。
6. 水力停留時間（HRT）
硝化過程HRT可控制在4h～10h之間，反硝化HRT可控制在1h～4h之間。
因HRT過短，反應池中各微生物種群沒有充分的時間生長，污泥流失過快，硝化反應和反硝化反應都沒有得到充分的進行。當HRT達到一定的值時，再增加HRT，對脫氮作用沒有顯著的效果。因為長HRT條件下，系統的有機負荷率降低，會使生物的內源呼吸加劇，影響污泥的活性，最終降低系統對污染物去除效果。
7. 污泥停留時間（SRT）
硝化過程的泥齡（SRT）一般控制在10～20d。
硝化菌的增殖速度很小，其最大比生長速率為 0.3～0.5d-1，為了維持池內一定量的硝化菌群，污泥停留時間必須大于硝化菌的最小世代時間。但是污泥停留時間太長，會導致系統有機負荷過低，許多微生物由于得不到所需要的營養會死亡。
比生長速率μ ：每小時單位質量的菌體所增加的菌體量稱為菌體比生長速率
8. 氧化還原電位（ORP）
硝化段ORP值一般在+180mV左右，反硝化段的ORP值在－50～－110mV之間。
氧化還原電位就是用來反映水溶液中所有物質表現出來的宏觀氧化-還原性。越高，氧化性越強，電位越低，氧化性越弱。通過控制ORP可以間接控制溶解氧濃度，尤其氧化還原電位其在DO濃度比較低時，DO較小的改變反映在氧化還原電位上變化較大。
9. 碳源投加量
每克甲醇、乙醇、乙酸、乙酸鈉、葡萄糖對應的COD、BOD5
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COD（g/g） |
BOD5（g/g） |
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甲醇 |
1.4 |
1.05 |
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乙醇 |
2.08 |
1.5 |
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乙酸 |
1.06 |
0.71 |
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乙酸鈉 |
0.78 |
0.52 |
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葡萄糖 |
1.06 |
0.8
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