反硝化反應是將硝化反應過程中產生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成N2的過程。反硝化細菌包括假單胞菌屬，反硝化桿菌屬，螺旋菌數和無色桿菌屬等，是一類化能異氧兼性微生物。在有分子態氧存在時，它們以有機物為底物對其進行氧化分解，并以氧作為最終電子受體，而在缺氧條件下，則利用廢水中各種有機基質作為碳源和電子供體，以NO2--N和NO3--N作為電子受體而進行缺氧呼吸，通過異化和同化作用完成反硝化脫氮過程。同化反硝化最終形成有機氮化合物，成為菌體的組成部分，異化反硝化最終產物是氣態氮。

首先由黃素蛋白FAD或FMN接受從還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH2轉移來的電子，并將它轉移給醌和細胞色素b，然后將電子轉移給含鉬的硝酸鹽還原酶，使Mo6+還原為Mo5+，而Mo5+再將電子轉移給NO3--N而使其還原為NO2--N。

影響反硝化生物處理的環境因素有碳源、pH、溶解氧和溫度；控制因素有水力攪拌強度、硝化液回流比、污泥濃度、泥齡等。

反硝化系統需要碳源，碳源是有機物。在市政污水處理廠中，入網的生活污水可生化性較好，其中BOD占比較高，可以做反硝化細菌所需的碳源，但是多數情況下該部分碳源的含量不足。尤其是納管混入工業廢水后，所有指標均可能升高。TN升高的同時，BOD的占比降低，反硝化所需的碳源更加不足，需要外加碳源。