廢水生物脫氮利用自然氮循環原理，在水處理構築物中創造適合不同微生物種群生長的環境。通過人工措施，提高生物硝化反硝化的速率，達到廢水脫氮的目的，壹般由氨化、硝化、反硝化三個功能組成。
(1)氨化
未經處理的城市汙水中的有機氮主要包括蛋白質、氨基酸、尿素、胺類、氰化物和硝基化合物。有機氮化合物被好氧菌和氨化菌分解為氨氮。
⑵硝化反應
生物硝化反應是亞硝酸鹽細菌和硝化細菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，由壹群自養好氧微生物通過兩個過程完成:第壹步是亞硝酸鹽細菌將氨氮轉化為亞硝酸鹽，稱為亞硝化反應，第二步是硝酸鹽細菌將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽。
(3)脫氮反應
生物脫氮是在無氧條件下，將硝化過程中產生的硝酸鹽或亞硝酸鹽還原為氣態氮或氮氧化物的過程。是由壹群異養微生物通過同化和異化來完成的。異化是將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氮和氮氧化物，主要是氮。同化作用是反硝化菌將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原成氨氮用於新的細胞合成。
2.生物硝化過程的主要影響因素
影響生物硝化過程的環境因素主要包括底物濃度、溫度、溶解氧濃度、pH值和抑制物質的含量。
(1)碳氮比
對於硝化過程，碳氮比影響活性汙泥中硝化細菌的比例，過高的碳氮比會降低汙泥中硝化細菌的比例。
⑵溫度
溫度不僅影響硝化細菌的比生長速率，還影響硝化細菌的活性。硝化細菌的最適生長溫度為35℃，硝化細菌的最適生長溫度為35 ~ 42℃。生物硝化的最適溫度範圍為20 ~ 30℃，低於15℃時硝化速率下降，5℃時反應基本停止。反硝化的適宜溫度範圍為20 ~ 40℃，在65438±05℃以下，反硝化速率下降。
(3)溶解氧
硝化作用必須在好氧條件下進行，所以溶解氧的濃度也會影響硝化作用的速率。壹般建議硝化過程中溶解氧的質量濃度應大於2 mg/L。
(4) pH值
硝化反應中，每氧化1g氨氮需要7.14g堿度(以碳酸鈣計)。如果不補充堿度，pH值會降低。硝化細菌明顯改變pH值，硝化作用的最適pH值為7.5 ~ 8.5。pH值低於7時，硝化速率會明顯下降，低於6且高於10.6時，硝化反應停止。
⑸抑制物質
許多物質會抑制活性汙泥法中的硝化作用，如氨氮、重金屬、有毒物質和有機物濃度過高。抑制硝化作用的途徑主要有兩種:壹是幹擾細胞的新陳代謝，二是破壞細菌的初始氧化能力。
[6]泥巴時代
壹般硝化過程的汙泥齡是硝化細菌最小生成時間的2倍以上，生物反硝化過程的汙泥齡應為12 ~ 25d。
3.生物脫氮的典型過程
生物脫氮的典型工藝主要有Sp工藝、氧化溝工藝和厭氧/好氧工藝(即A/O工藝)等。這裏介紹A/O工藝。
(1)工藝流程
汙水先進入缺氧池，再進入好氧池。同時，好氧池的混合液和部分二沈池的汙泥回流到缺氧池，保證缺氧池和好氧池中有足夠的微生物。同時，由於進水中含有大量含碳有機物，好氧池的混合液中含有硝酸鹽氮，保證了缺氧池中反硝化過程的順利進行，提高了脫氮效果。
⑵工藝特點
①工藝簡單，構築物少，基建費用低；②反硝化池不需要額外的碳源，降低了運行成本；③缺氧池後的好氧池可以進壹步去除反硝化殘留的有機汙染物，提高出水水質，而缺氧池前汙水中的有機碳被反硝化菌利用，可以降低後續好氧池的有機負荷。
⑶影響因素
主要包括水力停留時間、BOD5濃度、溫度、pH值、溶解氧、有機碳源、混合液回流比。