一、硝化细菌
硝化反应过程：在有氧条件下，氨氮被硝化细菌所氧化成为亚硝酸盐和硝酸盐。他包括两个基本反应步骤：由亚硝酸菌（nitrosomonas sp）参与将氨氮转化为亚硝酸盐的反应；硝酸菌（nitrobacter sp）参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应，亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌，它们利用co2、co32-、hco3-等做为碳源，通过nh3、nh4+、或no2-的氧化还原反应获得能量。硝化反应过程需要在好氧（aerobic或oxic）条件下进行，并以氧做为电子受体，氮元素做为电子供体。其相应的反应式为：
亚硝化反应方程式：
55nh4++76o2+109hco3→c5h7o2n﹢54no2-+57h2o+104h2co3
硝化反应方程式：
400no2-+195o2+nh4-+4h2co3+hco3-→c5h7o2n+400no3-+3h2o
硝化过程总反应式：
nh4-+1.83o2+1.98hco3→0.021c5h7o2n+0.98no3-+1.04h2o+1.884h2co3
通过上述反应过程的物料衡算可知，在硝化反应过程中，将1克氨氮氧化为硝酸盐氮需好氧4.57克（其中亚硝化反应需耗氧3.43克，硝化反应耗氧量为1.14克），同时约需耗7.14克重碳酸盐（以caco3计）碱度。
在硝化反应过程中，氮元素的转化经历了以下几个过程：氨离子nh4-→羟胺nh2oh→硝酰基noh→亚硝酸盐no2-→硝酸盐no3-。
二、反硝化细菌
反硝化反应过程：在缺氧条件下，利用反硝化菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气而从污水中逸出，从而达到除氮的目的。
反硝化是将硝化反应过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的过程，反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物。当有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体，当无分子态氧存在时，反硝化细菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的n3+和n5+做为电子受体，有机物则作为碳源提供电子供体提供能量并得到氧化稳定，由此可知反硝化反应须在缺氧条件下进行。从no3-还原为n2的过程如下：
no3-→no2-→no→n2o→n2
反硝化过程中，反硝化菌需要有机碳源（如碳水化合物、醇类、有机酸类）作为电子供体，利用no3-中的氮进行缺氧呼吸。其反应过程可以简单用下式表示：
no3-+4h(电子供体有机物)→ 1/2n2+h2o+2oh-
no2-+3h(电子供体有机物)→ 1/2n2+h2o+oh-
综上所述，硝化反应每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗碱度7.14g,表现为ph值下降，在反硝化过程中，去除硝酸盐氮的同时去除碳源，这部分碳源折合do2.6g,另外，反硝化过程中补偿碱度3.57g。
三、硝化反硝化的碱度平衡
1、一般来说，在硝化反应中每硝化lgnh3-n需要消耗7.14g碱度，所以硝化过程中需要的碱度量可按下式计算：
碱度＝7.14×qδcnh3-n×10-3 (1)
式中：
q为进入滤池的日平均污水量，m³／d；
δcnh3-n为进出滤池nh3-n浓度的差值，mg／l；
7.14为硝化需碱量系数，kg碱度／kgnh3-n。
2、对于含氨氮浓度较高的工业废水，通常需要补充碱度才能使硝化反应器内的ph值维持在7.2～8.0之间。计算公式如下：
碱度＝k×7.14×qδcnh3-n×10-3 (2)
式中，k为安全系数，一般为1.2～1.3。
3、实际工程中进行碱度核算应考虑以下几部分：入流污水中的碱度，生物硝化消耗的碱度，分解bod5产生的碱度，以及混合液中应保持的剩余碱度。要使生物硝化顺利进行，必须满足下式：
alkw＋alkc＞alkn＋alke （3）
如果碱度不足，要使硝化顺利进行，则必须投加纯碱，补充碱度。投加的碱量可按下式计算：
δalk＝（alkn＋alke）—（alkw＋alkc） （4）
式中：
δalk为系统应补充的碱度，mg／l；
alkn 为生物硝化消耗的碱量；alkn一般按硝化每kgnh3-n消耗7.14kg碱计算。
alke 为混合液中应保持的碱量，alke一般按曝气池排出的混合液中剩余50mg/l碱度(以na2co3计)计算。
alkw 为原污水中的总碱量；
alkc 为bod5分解过程中产生的碱量；alkc与系统的srt有关系：
当srt＞20d时，可按降解每千克bod5产碱0.1kg计算；
当srt＝10～20d时，按0.05kgalk/kgbod5；
当srt＜10d时，按0.01galk/kgbod5。
