过量的氮,磷元素排放至自然水体将会导致水体的富营养化,因此从废水中出去氮磷的意义格外重要。生物法脱氮相较于物理化学法具有投资少、效率高、污泥产量少等优点而在实际污水厂中得到广泛应用。
生物脱氮是利用硝化细菌在好氧的环境中将氨氮氧化成硝酸氮,再利用反硝化细菌在缺氧的环境中将硝态氮还原为氮气最终实现脱氮的目的。
废水中存在着有机氮、NH3-N、NOx－-N等形式的氮，而其中以NH3-N和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成NH3-N，而后经硝化过程转化变为NOx－-N，最后通过反硝化作用使NOx－-N转化成N2，而逸入大气。四种脱氮环节的原理概述如下：
1.氨化作用
氨化作用是指将有机氮化合物转化为NH3-N的过程，也称为矿化作用。参与氨化作用的细菌称为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌、兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。在好氧条件下，主要有两种降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脱氨。例如氨基酸生成酮酸和氨：
另一是某些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解脱氮反应。例如尿素能被许多细菌水解产生氨，分解尿素的细菌有尿八联球菌和尿素芽孢杆菌等，它们是好氧菌，其反应式如下：
在厌氧或缺氧的条件下，厌氧微生物和兼性厌氧微生物对有机氮化合物进行还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应。
2.硝化作用
硝化作用是指将NH3-N氧化为NOx－-N的生物化学反应，这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亚硝化反应和硝化反应两个步骤。该反应历程为：
亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝酸杆菌属、硝酸球菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。发生硝化反应时细菌分别从氧化NH3-N和NO2－-N的过程中获得能量，碳源来自无机碳化合物，如CO32－、HCO－、CO2等。假定细胞的组成为C5H7NO2，则硝化菌合成的化学计量关系可表示为：
由上式可以看出硝化过程的三个重要特征：
⑵硝化过程细胞产率非常低，难以维持较高物质浓度，特别是在低温的冬季；
⑶硝化过程中产生大量的质子（H+），为了使反应能顺利进行，需要大量的碱中和，理论上大约为每氧化1g的NH3-N需要碱度5.57g(以NaCO3计)。
3.反硝化作用
反硝化作用是指在厌氧或缺氧（DO<0.3-0.5mg/L）条件下，NOx―-N及其它氮氧化物被用作电子受体被还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应，这个过程由反硝化菌完成。反应历程为：
可以是任何能提供电子，且能还原NOx―-N为氮气的物质，包括有机物、硫化物、H+等。进行这类反应的细菌主要有变形杆菌属、微球菌属、假单胞菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属等兼性细菌，它们在自然界中广泛存在。有分子氧存在时，利用O2作为最终电子受体，氧化有机物，进行呼吸；无分子氧存在时，利用NOx―-N进行呼吸。研究表明，这种利用分子氧和NOx―-N之间的转换很容易进行，即使频繁交换也不会抑制反硝化的进行。
大多数反硝化菌能进行反硝化的同时将NOx―-N同化为NH3-N而供给细胞合成之用，这也就是所谓同化反硝化。只有当NOx―-N作为反硝化菌唯一可利用的氨源时NOx―-N同化代谢才可能发生。如果废水中同时存在NH3-N，反硝化菌有限地利用NH3-N进行合成。
4.同化作用
在生物脱氮过程中，废水中的一部分氮（NH3-N或有机氮）被同化为异养生物细胞的组成部分。微生物细胞采用C60H87O23N12P来表示，按细胞的干重量计算，微生物细胞中氮含量约为12.5%。虽然微生物的内源呼吸和溶胞作用会使一部分细胞的氮又以有机氮和NH3-N形式回到废水中，但仍存在于微生物的细胞及内源呼吸残留物中的氮可以在二沉池中得以从废水中去除。
