在生物活性污泥法的操作运行过程中，人们发现在低COD〔或生化需氧量（BOD）〕且大曝气量情况下，废水中的氨氮会转化为亚硝酸根NO- 2和硝酸根NO- 3，对好氧菌产生毒性。当废水中的氨氮浓度超过400mg/L时，氨氮亚硝化和硝化的结果将严重干扰好氧的处理效果，使出水COD增高。然而，将硝化出水经过一段时间的厌氧（或兼氧）生物处理后，厌氧出水中的含氮浓度可大幅度地降低，其原因是亚硝酸盐和硝酸盐被厌氧菌（或兼氧菌）还原成氮气由水中逸出，从而实现总氮的脱除和COD的降解。在好氧菌和厌氧菌的作用下，氨氮先氧化后还原的这个降解过程就是人们常说的硝化过程和反硝化过程。
1.硝化作用
硝化作用是在两类好氧菌的参与下完成的，首先是亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）将氨氮先氧化成亚硝酸根；然后硝化杆菌将亚硝酸根再进一步氧化硝酸根。
从上述反应中可以得到3个结论：
①不论是亚硝化过程还是硝化过程，都要耗用大量的氧。要使1mol氨氮（NH3-N及NH ＋ 4 –N）完全氧化成NO – 3需耗用2mol的氧，即氧化1mg氨氮需要4×16/14＝4.57mg的氧，此值为生物氧化池脱氮的需氧量提供了一个工程设计的参考数据。由于硝化反应需要足够的氧，因此大多数学者认为溶解氧应控制在1.5～2.0mg/L以上，低于0.5mg/L则硝化作用完全停止。
②硝化反应的结果有硝酸（HNO3）形成，会使生化环境的酸性提高。因此废水中应有足够的碱度，以平衡硝化作用中产生的酸，一般认为硝化作用最适宜的pH值在7.5～9.2之间。
③硝化反应的结果可使氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐，但废水中的总氮量并没有发生变化。
硝化作用宜在低BOD负荷条件下进行，若硝化段的含碳有机基质的浓度太高，会使生长速率较高的非硝化菌迅速繁衍，从而使硝化菌得不到优势，结果降低了硝化速率。一般来说，硝化段的BOD应低于20mg/L。
2.反硝化作用
反硝化作用是指硝酸盐和亚硝酸盐被厌氧菌或兼氧菌还原为气态氮的过程。参与这一过程的细菌称为反硝化菌，这类微生物的无色杆菌属、气杆菌属、产碱杆菌属、杆菌属、黄杆菌属、微球菌属、假单胞菌属等。在反硝化过程中NO- 2、NO- 3是被还原物，它们在还原过程中所获得的电子是由有机物质提供的，因此，在反硝化过程中，有相当数量的有机物不需要外界供氧而直接利用NO- 2、NO- 3的氧作为氧源进行氧化降解，其反应式如下：
5C（有机C）＋4NO- 3＋2H2O＝2N2＋4OH-＋5CO2
从反硝化反应式中也可以得到3个结论。
①在硝化过程耗用掉的氧被回收并得复用于反硝化过程中，这些氧使反硝化段中的有机物得到降解。
②在反硝化菌的作用下，NO- 3被还原，而有机物被氧化，NO- 3在还原过程中所获得的电子是由有机物质提供的。因此在反硝化过程中，废水的C/N比是影响脱氮效果的一个重要因素。从反硝化作用的反应式中可以知道，去除4份的N（4×14），须提供5份的有机碳。又因为1mol C生物氧化成CO2需要2mol O2，将5mol有机碳折算成BOD值应为（5×32），因此废水中的BOD5与N的比值（即C/N）应该是5×32/（4×14）＝2.86。这个数值仅仅是个理论值，实际使用时应该大于这个数值，也就是说，当废水中的C/N＝2.86时才能充分满足反硝化细菌对碳源的需要，废水中的C/N越低，则通过反硝化除去的氮越少，总氮的去除率也相应减少。在工程运行操作上，C/N比控制在3以上。当废水中的碳源不够时，需另外补加碳素，现大多采用甲醇。投加比例可按还原1kg硝酸盐需投加2.4kg甲醇计算。
③反硝化反应的结果使生化环境的pH升高。反硝化作用最适宜的pH值也在7.5～9.2之间。由于硝化使pH降低而反硝化却使pH升高，两个过程中pH的变化彼此之间相互抵消，结果使系统内的pH保持不变。但是两个过程中碱度的变化可以作为一个参数用来判断硝化及反硝化进行的程度。