污水中氮主要以有機(jī)氮和氨氮形式存在，在污水處理設(shè)備中進(jìn)行生物處理時(shí)，有機(jī)氮很容易通過(guò)微生物的分解和水解轉(zhuǎn)化成氨氮， 即氨化作用。傳統(tǒng)的硝化-反硝化生物脫氮的基本原理就在于通過(guò)硝化反應(yīng)先將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮，再通過(guò)反硝化反應(yīng)將硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮還原成氣態(tài)氮從水中逸出，從而達(dá)到脫氮的目的。
一、氨化反應(yīng)
在未經(jīng)處理的生活污水中，含氮化合物存在的主要形式有：a.有機(jī)氮，如蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、胺類化合物等；b.氨態(tài)氮NH3或NH4+。一般以有機(jī)氮為主。
含氮化合物在好氧或厭氧微生物的作用下，均可轉(zhuǎn)化為氨氮，在好氧條件下，有機(jī)氮可進(jìn)行氧化脫氨和水解脫氨。在厭氧條件下，可進(jìn)行還原脫氨、水解脫氨和脫水脫氨。
二、硝化反應(yīng)
污水處理設(shè)備中的硝化反應(yīng)是由自養(yǎng)型好氧微生物完成的，它包括兩個(gè)步驟：第一步是由亞硝酸菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮；第二步則由硝酸菌將亞硝態(tài)氮進(jìn)一步氧化為硝態(tài)氮。這兩類菌統(tǒng)稱為硝化菌，他們利用無(wú)機(jī)碳化物如碳酸根離子、碳酸氫根離子和二氧化碳作為碳源，從氨氣、銨離子或亞硝態(tài)氮的氧化反應(yīng)中獲取能量，兩步反應(yīng)均需在有氧條件下進(jìn)行。
硝化過(guò)程的重要特征如下。
1、硝化菌分別從氧化氨氣和亞硝態(tài)氮的過(guò)程中獲得能量，碳源來(lái)自碳酸根離子、碳酸氫根離子和二氧化碳等。
2、硝化反應(yīng)在好氧條件下進(jìn)行，DO≥2mg/L,1g氨氮完全硝化需要4.57g氧氣，其中第一步反應(yīng)消耗3.43g，第二步反應(yīng)耗氧1.14g。
3、產(chǎn)生大量的質(zhì)子，需要大量的堿中和，1克氨氮完全硝化需要堿度7.14g（以碳酸鈣計(jì)）。
4、細(xì)胞產(chǎn)率非常低，特別是在低溫的冬季。
三、反硝化反應(yīng)
反硝化反應(yīng)是由異養(yǎng)型反硝化菌完成的，它的主要作用是將硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮還原成氮?dú)猓磻?yīng)在無(wú)分子氧的條件下進(jìn)行。反硝化菌大多是兼性的，在溶解氧濃度低的環(huán)境中，他們利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，有機(jī)物則作為碳源計(jì)電子供體提供能量并得到氧化穩(wěn)定。
當(dāng)污水處理設(shè)備中缺乏有機(jī)物時(shí)，無(wú)機(jī)物如氫、硫化鈉等也可作為反硝化反應(yīng)的電子供體。微生物還可通過(guò)消耗自身的原生質(zhì)進(jìn)行所謂的內(nèi)源反硝化，內(nèi)源反硝化的結(jié)果是細(xì)胞物質(zhì)的減少，并會(huì)有氨氣的產(chǎn)生，因此，處理中不希望此種反應(yīng)占主導(dǎo)地位，而應(yīng)為污水處理設(shè)備提供碳源。
反硝化過(guò)程的重要特征如下。
1、在厭氧池中缺氧或低氧狀態(tài)下，進(jìn)行反硝化，若DO較高狀態(tài)則會(huì)進(jìn)行有機(jī)物氧化，但是這種轉(zhuǎn)換不影響反硝化菌的活性。
2、反硝化過(guò)程中會(huì)消耗污水中的有機(jī)物，1克氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)庑杼峁┯袡C(jī)物(BOD5)2.86克。
3、反硝化過(guò)程產(chǎn)生堿度，1克氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猱a(chǎn)生堿度（以碳酸鈣計(jì)）2.86克。
在AO一體化污水處理設(shè)備中硝化反硝化過(guò)程如下。在厭氧池中，有機(jī)氮被異養(yǎng)菌進(jìn)行氨化，分解為氨態(tài)氮，之后污水進(jìn)入好氧池，好氧池中通過(guò)鼓風(fēng)曝氣形成好氧條件，氨態(tài)氮被自養(yǎng)菌進(jìn)行硝化，氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮。之后進(jìn)入二沉池，通過(guò)污泥泵的回流，硝態(tài)氮回流到厭氧池，在缺氧或低氧條件下，硝態(tài)氮被異養(yǎng)菌進(jìn)行反硝化作用，最后產(chǎn)生氣態(tài)氮，完成有機(jī)氮的消耗分解。