硝化反應是向有機物分子中引入硝基（-NO2）的反應過程。脂肪族化合物硝化時有氧化-斷鍵副反應，工業上很少采用。硝基甲烷、硝基乙烷、1-和2-硝基丙烷四種硝基烷烴氣相法生產過程，是30年代美國商品溶劑公司開發的。迄今該法仍是制取硝基烷烴的主要工業方法。此外，硝化也泛指氮的氧化物的形成過程。反硝化作用也稱脫氮作用。反硝化細菌在缺氧條件下，還原硝酸鹽，釋放出分子態氮（N2）或（N2O）的過程。

硝化：在好氧條件下，通過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程，稱為生物硝化作用。 反應過程如下：

亞硝酸鹽菌：接著亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽：

這兩個反應式都是釋放能量的過程，氨氮轉化為硝態氮并不是去除氮而是減少它的需氧量。上訴兩式合起來寫成：

綜合氨氧化和細胞體合成反應方程式如下：

上式可知：(1)在硝化過程中，1g氨氮轉化為硝酸鹽氮時需氧4.57g；(2)硝化過程中釋放出H+，將消耗廢水中的堿度，每氧化lg氨氮，將消耗堿度(以CaCO3計) 7.lg。

影響硝化過程的主要因素有：

(1)pH值 當pH值為8.0～8.4時(20℃)，硝化作用速度最快。由于硝化過程中pH將下降，當廢水堿度不足時，即需投加石灰，維持pH值在7.5以上；

(2)溫度 溫度高時，硝化速度快。亞硝酸鹽菌的最適宜水溫為35℃，在15℃以下其活性急劇降低，故水溫以不低于15℃為宜；

(3)污泥停留時間 硝化菌的增殖速度很小，其最大比生長速率為 ＝0.3～0.5d-1(溫度20℃，pH8.0～8.4)。為了維持池內一定量的硝化菌群，污泥停留時間 必須大于硝化菌的最小世代時間 。在實際運行中，一般應取 ＞2 ；

(4)溶解氧 氧是生物硝化作用中的電子受體，其濃度太低將不利于硝化反應的進行。一般，在活性污泥法曝氣池中進行硝化，溶解氧應保持在2～3mg/L以上；

(5)BOD負荷 硝化菌是一類自養型菌，而BOD氧化菌是異養型菌。若BOD5負荷過高，會使生長速率較高的異養型菌迅速繁殖，從而佼白養型的硝化菌得不到優勢，結果降低了硝化速率。所以為要充分進行硝化，BOD5負荷應維持在0.3kg(BOD5)/kg(SS).d以下。

反硝化：在缺氧條件下，由于兼性脫氮菌(反硝化菌)的作用，將NO2--N和NO3--N還原成N2的過程，稱為反硝化。反硝化過程中的電子供體(氫供體)是各種各樣的有機底物(碳源)。以甲醇作碳源為例，其反應式為：

綜合反應式為：

由上可見，在生物反硝化過程中，不僅可使NO2--N、NO3--N被還原，而且還可使有機物氧化分解。

影響反硝化的主要因素：

(1)溫度 溫度對反硝化的影響比對其它廢水生物處理過程要大些。一般，以維持20～40℃為宜。苦在氣溫過低的冬季，可采取增加污泥停留時間、降低負荷等措施，以保持良好的反硝化效果；

(2)pH值 反硝化過程的pH值控制在7.0～8.0；

(3)溶解氧 氧對反硝化脫氮有抑制作用。一般在反硝化反應器內溶解氧應控制在0.5mg/L以下(活性污泥法)或1mg/L以下(生物膜法)；

(4)有機碳源 當廢水中含足夠的有機碳源，BOD5/TKN＞(3～5)時，可無需外加碳源。當廢水所含的碳、氮比低于這個比值時，就需另外投加有機碳。外加有機碳多采用甲醇。考慮到甲醇對溶解氧的額外消耗，甲醇投量一般為NO3--N的3倍。此外，還可利用微生物死亡；自溶后釋放出來的那部分有機碳，即內碳源，但這要求污泥停留時間長或負荷率低，使微生物處于生長曲線的靜止期或衰亡期，因此池容相應增大。