生物脱氮通过氨化、硝化、反硝化三个步骤完成。
1.氨化反应
有机氮化物在好氧菌和氨化细菌的作用下分解，转化为氨态氮，有机碳被降解为CO2。以氨基酸为例，其反应式如下：
RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3
2.硝化反应
在硝化菌的作用下，氨态氮进一步分解、氧化，就此分两个阶段进行：首先在亚硝化菌的作用下，使铵（NH4+）转化为亚硝酸氮；然后亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氮。硝化反应的总反应式如下：
NH4++2O2=NO3-+H2O+2H+
在硝化反应充足时，COD的去除很容易满足。
3.反硝化反应
硝酸氮（NO3-N）和亚硝酸氮（NO2-N）在反硝化菌的作用下，被还原为气态N2。
氨氮向亚硝酸氮的转化是限速步骤，因此在大多数生物处理过程中不会发生亚硝酸氮的积累，因为硝化菌会将亚硝酸氮迅速转化为硝酸氮。这种硝化菌都是自养菌，比用的大多数异养菌生产速度要慢，生产速率为0.1~0.2d-1，要达到完全的硝化效果就需要较长的污泥龄。要达到成功的硝化，必须有三种足够的基质浓度，即二氧化碳、氨氮、氧。二氧化碳为自养菌提供细胞生长所需的碳。硝化菌是专性好氧菌，在悬浮生长系统中维持菌体生存所需的溶解氧为1.0~1.5mg/L。硝化作用对温度也很敏感，在10℃以下氨氮去除率下降。
将反硝化器放置在系统之前，在反硝化缺氧池中，回流污泥中的反硝化菌利用原污水中的有机物作为碳源，将回流混合液中的大量硝态氮。
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