第壹步是氨化，即水中的有機氮在氨化細菌的作用下轉化為氨氮。(在普通活性汙泥法中，氨化進行得非常快，不需要采取特殊措施。)
第二步是硝化作用，即在供氧充足的情況下，水中的氨氮在亞硝酸鹽菌的作用下先被氧化成亞硝酸鹽，再在硝酸鹽菌的作用下進壹步氧化成硝酸鹽。
第三步是反硝化作用，即在缺氧或厭氧條件下，硝化作用產生的亞硝酸鹽和硝酸鹽在反硝化菌的作用下被還原成氮氣。