生物脫氮理論認為生物脫氮主要包括硝化和反硝化2個生化過程,并由有機氮氨化、硝化、反硝化及微生物的同化作用來完成。

氨化作用即水中的有機氮化合物在氨化細菌分解作用下轉化為氨氮。一般氨化過程與微生物去除有機物同時進行,氨化作用進行得很快,有機物去除結束時,氨化過程也已完成,故無需采取特殊的措施。

硝化作用即在供氧充足的條件下,水中的氨氮首先在亞硝化細菌的作用下被氧化成亞硝酸氮,然后再在硝化細菌的作用下進一步氧化成硝酸氮。由于亞硝化細菌和硝化細菌的生長速率低,所以要求較長的污泥齡。

反硝化作用是由反硝化細菌完成的生物化學過程。在缺氧條件下,反硝化細菌將硝化產生的亞硝酸氮和硝酸氮還原成氣態氮(N2)或N2O、NO。由于反硝化細菌是兼性厭氧菌,只有在缺氧或厭氧條件下才能進行反硝化,因此需要為其創造一個缺氧或厭氧的環境(好氧池的混合液回流到缺氧池)。

在脫氮除磷系統中,碳源主要消耗在釋磷、反硝化和異養菌的正常代謝等方面。其中,釋磷和反硝化的反應速率與進水碳源中易降解的部分,尤其是揮發性有機脂肪酸的含量關系很大。一般說來,城市污水中所含的易降解的有機污染物是有限的,所以在生物脫氮除磷系統中,釋磷和反硝化之間存在著因碳源不足而引發的競爭性矛盾。