在好氧條件下，通過(guò)自養(yǎng)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(guò)程，叫做硝化反應(yīng)。

　　硝化反應(yīng)分為硝化和反硝化兩個(gè)階段。

　　1、硝化反應(yīng)過(guò)程

　　在有氧條件下，氨氮被硝化細(xì)菌所氧化成為亞硝酸鹽和硝酸鹽。他包括兩個(gè)基本反應(yīng)步驟：由亞硝酸菌（NITROSOMONASSP）參與將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的反應(yīng)；硝酸菌（NITROBACTERSP）參與的將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的反應(yīng)，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養(yǎng)菌，它們利用CO2、CO32-、HCO3-等做為碳源，通過(guò)NH3、NH4+、或NO2-的氧化還原反應(yīng)獲得能量。硝化反應(yīng)過(guò)程需要在好氧（AEROBIC或OXIC）條件下進(jìn)行，并以氧做為電子受體，氮元素做為電子供體。其相應(yīng)的反應(yīng)式為：

　　亞硝化反應(yīng)方程式：

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

　　硝化反應(yīng)方程式：

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

　　硝化過(guò)程總反應(yīng)式：

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

　　通過(guò)上述反應(yīng)過(guò)程的物料衡算可知，在硝化反應(yīng)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(yīng)需耗氧3.43克，硝化反應(yīng)耗氧量為1.14克），同時(shí)約需耗7.14克重碳酸鹽（以CaCO3計(jì)）堿度。

　　在硝化反應(yīng)過(guò)程中，氮元素的轉(zhuǎn)化經(jīng)歷了以下幾個(gè)過(guò)程：氨離子NH4-→羥胺NH2OH→硝?；鵑OH→亞硝酸鹽NO2-→硝酸鹽NO3-。

　　2、反硝化反應(yīng)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?dú)舛鴱臒o(wú)水中逸出，從而達(dá)到除氮的目的。

　　反硝化是將硝化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮?dú)獾倪^(guò)程，反硝化菌是一類化能異養(yǎng)兼性缺氧型微生物。當(dāng)有分子態(tài)氧存在時(shí)，反硝化菌氧化分解有機(jī)物，利用分子氧作為最終電子受體，當(dāng)無(wú)分子態(tài)氧存在時(shí)，反硝化細(xì)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(jī)物則作為碳源提供電子供體提供能量并得到氧化穩(wěn)定，由此可知反硝化反應(yīng)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(jī)碳源（如碳水化合物、醇類、有機(jī)酸類）作為電子供體，利用NO3-中的氧進(jìn)行缺氧呼吸。其反應(yīng)過(guò)程可以簡(jiǎn)單用下式表示：

　　NO3-+4H(電子供體有機(jī)物)→1/2N2+H2O+2OH-+NO2-+3H(電子供體有機(jī)物)→1/2N2+H2O+OH-

　　污水中含碳有機(jī)物做為反硝化反應(yīng)過(guò)程中的電子供體。由上式可知，每轉(zhuǎn)化1gNO2-為N2時(shí)，需有機(jī)物（以BOD表示）1.71g;每轉(zhuǎn)化1gNO3-為N2時(shí)，需有機(jī)物（以BOD表示）2.86g。同時(shí)產(chǎn)生3.57g重碳酸鹽堿度（以CaCO3計(jì)）。如果污水中含有溶解氧，為使反硝化完全，所需碳源有機(jī)物（以BOD表示）用下式計(jì)算：

　　C=2.86Ni+1.71N0+DO0

　　其中：C為反硝化過(guò)程有機(jī)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(jī)物濃度不足時(shí)，應(yīng)補(bǔ)充投加易于生物降解的碳源有機(jī)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(huì)發(fā)生下述反應(yīng)：

　　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(dāng)水中有溶解氧存在時(shí)，氧消耗甲醇的反應(yīng)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(jī)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(hào)同上綜上所述，硝化反應(yīng)每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗堿度7.14g,表現(xiàn)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(bǔ)償堿度3.57g。

　　硝化菌對(duì)于pH值得變化非常敏感，pH值過(guò)高過(guò)低都不利于反應(yīng)的進(jìn)行，反硝化菌最適宜的pH值是6.5-7.5，在這個(gè)pH值條件下，反硝化速率最高；當(dāng)PH值高于8或低于6時(shí)，反硝化速率將很快下降。