污水中氮主要以有机氮和氨氮形式存在，在污水处理设备中进行生物处理时，有机氮很容易通过微生物的分解和水解转化成氨氮， 即氨化作用。传统的硝化-反硝化生物脱氮的基本原理就在于通过硝化反应先将氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮、亚硝态氮还原成气态氮从水中逸出，从而达到脱氮的目的。
一、氨化反应
在未经处理的生活污水中，含氮化合物存在的主要形式有：a.有机氮，如蛋白质、氨基酸、尿素、胺类化合物等；b.氨态氮NH3或NH4+。一般以有机氮为主。
含氮化合物在好氧或厌氧微生物的作用下，均可转化为氨氮，在好氧条件下，有机氮可进行氧化脱氨和水解脱氨。在厌氧条件下，可进行还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨。
二、硝化反应
污水处理设备中的硝化反应是由自养型好氧微生物完成的，它包括两个步骤：第一步是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝态氮；第二步则由硝酸菌将亚硝态氮进一步氧化为硝态氮。这两类菌统称为硝化菌，他们利用无机碳化物如碳酸根离子、碳酸氢根离子和二氧化碳作为碳源，从氨气、铵离子或亚硝态氮的氧化反应中获取能量，两步反应均需在有氧条件下进行。
硝化过程的重要特征如下。
1、硝化菌分别从氧化氨气和亚硝态氮的过程中获得能量，碳源来自碳酸根离子、碳酸氢根离子和二氧化碳等。
2、硝化反应在好氧条件下进行，DO≥2mg/L,1g氨氮完全硝化需要4.57g氧气，其中第一步反应消耗3.43g，第二步反应耗氧1.14g。
3、产生大量的质子，需要大量的碱中和，1克氨氮完全硝化需要碱度7.14g（以碳酸钙计）。
4、细胞产率非常低，特别是在低温的冬季。
三、反硝化反应
反硝化反应是由异养型反硝化菌完成的，它的主要作用是将硝态氮或亚硝态氮还原成氮气，反应在无分子氧的条件下进行。反硝化菌大多是兼性的，在溶解氧浓度低的环境中，他们利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物则作为碳源计电子供体提供能量并得到氧化稳定。
当污水处理设备中缺乏有机物时，无机物如氢、硫化钠等也可作为反硝化反应的电子供体。微生物还可通过消耗自身的原生质进行所谓的内源反硝化，内源反硝化的结果是细胞物质的减少，并会有氨气的产生，因此，处理中不希望此种反应占主导地位，而应为污水处理设备提供碳源。
反硝化过程的重要特征如下。
1、在厌氧池中缺氧或低氧状态下，进行反硝化，若DO较高状态则会进行有机物氧化，但是这种转换不影响反硝化菌的活性。
2、反硝化过程中会消耗污水中的有机物，1克氨氮转化为氮气需提供有机物(BOD5)2.86克。
3、反硝化过程产生碱度，1克氨氮转化为氮气产生碱度（以碳酸钙计）2.86克。
在AO一体化污水处理设备中硝化反硝化过程如下。在厌氧池中，有机氮被异养菌进行氨化，分解为氨态氮，之后污水进入好氧池，好氧池中通过鼓风曝气形成好氧条件，氨态氮被自养菌进行硝化，氨态氮转化为亚硝态氮和硝态氮。之后进入二沉池，通过污泥泵的回流，硝态氮回流到厌氧池，在缺氧或低氧条件下，硝态氮被异养菌进行反硝化作用，最后产生气态氮，完成有机氮的消耗分解。