硝化細菌
硝化反應過(guò)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。包括兩個(gè)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、CO32-、HCO3-等作為碳源，通過(guò)NH3、NH4+、或NO2-的氧化還原反應獲得能量。硝化反應過(guò)程需要在好氧（Aerobic或Oxic）條件下進(jìn)行，并以氧作為電子受體，氮元素作為電子供體。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(guò)程總反應式：
NH4-+1.83O2+1.98HCO3→0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.04H2O+1.884H2CO3
通過(guò)上述反應過(guò)程的物料衡算可知，在硝化反應過(guò)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(shí)約需耗7.14克重碳酸鹽（以CaCO3計）堿度。
在硝化反應過(guò)程中，氮元素的轉化經(jīng)歷了以下幾個(gè)過(guò)程：氨離子NH4-→羥胺NH2OH→硝酰基NOH→亞硝酸鹽NO2-→硝酸鹽NO3-。
反硝化細菌
反硝化反應過(guò)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水中逸出，從而達到除氮的目的。
反硝化是將硝化反應過(guò)程中產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣的過(guò)程，反硝化菌是一類(lèi)化能異養兼性缺氧型微生物。當有分子態(tài)氧存在時(shí)，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(wú)分子態(tài)氧存在時(shí)，反硝化細菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N3+和N5+作為電子受體，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(jìn)行。從NO3-還原為N2的過(guò)程如下：
NO3-→NO2-→NO→N2O→N2
反硝化過(guò)程中，反硝化菌需要有機碳源（如碳水化合物、醇類(lèi)、有機酸類(lèi)）作為電子供體，利用NO3-中的氧進(jìn)行缺氧呼吸。其反應過(guò)程可以簡(jiǎn)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-
污水中含碳有機物作為反硝化反應過(guò)程中的電子供體。由上式可知，每轉化1gNO2-為N2時(shí)，需有機物（以BOD表示）1.71g;每轉化1gNO3-為N2時(shí)，需有機物（以BOD表示）2.86g。同時(shí)產(chǎn)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(guò)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(shí)，應補充投加易于生物降解的碳源有機物（甲醇、乙醇或糖類(lèi)）。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(huì )發(fā)生下述反應：
NO2-+0.67CH3OH+0.53H2CO3→0.04C5H7O2N+0.48N2↑+1.23H2O+HCO3-
由上式可見(jiàn)，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(shí)，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(guò)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(guò)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(guò)程中，去除硝酸鹽氮的同時(shí)去除碳源，這部分碳源折合DO2.6g,另外，反硝化過(guò)程中補償堿度3.57g。