反硝化反應過程：在缺氧條件下，利用反硝化菌將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氮氣而從無水中逸出，從而達到除氮的目的。
反硝化是將硝化反應過程中產生的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣的過程，反硝化菌是一類化能異養兼性缺氧型微生物。當有分子態氧存在時，反硝化菌氧化分解有機物，利用分子氧作為最終電子受體，當無分子態氧存在時，反硝化細菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N3+和N5+做為電子受體，O2-作為受氫體生成水和OH-堿度，有機物則作為碳源提供電子供體提供能量并得到氧化穩定，由此可知反硝化反應須在缺氧條件下進行。從NO3-還原為N2的過程如下：
NO3-→NO2-→NO→N2O→N2
反硝化過程中，反硝化菌需要有機碳源（如碳水化合物、醇類、有機酸類）作為電子供體，利用NO3-中的氧進行缺氧呼吸。其反應過程可以簡單用下式表示：
NO3-+4H(電子供體有機物)→ 1/2N2+H2O+2OH-
NO2-+3H(電子供體有機物)→ 1/2N2+H2O+OH-
污水中含碳有機物做為反硝化反應過程中的電子供體。由上式可知，每轉化1gNO2-為N2時，需有機物（以BOD表示）1.71g;每轉化1gNO3-為N2時，需有機物（以BOD表示）2.86g。同時產生3.57g重碳酸鹽堿度（以CaCO3計）。
如果污水中含有溶解氧，為使反硝化完全，所需碳源有機物（以BOD表示）用下式計算：
C=2.86Ni+1.71N0+DO0
其中：
C為反硝化過程有機物需要量（以BOD表示），mg/l;
Ni為初始硝酸鹽氮濃度（mg/l）
N0為初始亞硝酸鹽氮濃度（mg/l）
DO0為初始溶解氧濃度（mg/l）
如果污水中碳源有機物濃度不足時，應補充投加易于生物降解的碳源有機物（甲醇、乙醇或糖類）。以甲醇為例，則
NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.056C5H7O2N+0.47N2↑+1.68H2O+HCO3-
如果水中有NO2-,則會發生下述反應：
NO2-+0.67CH3OH+0.53H2CO3→0.04C5H7O2N+0.48N2↑+1.23H2O+HCO3-
由上式可見，每還原1gNO2-和1gNO3-分別需要消耗甲醇1.53g和2.47g。
當水中有溶解氧存在時，氧消耗甲醇的反應式為：
O2+0.93CH3OH+0.056NO3-→0.056C5H7O2N+1.64H2O+0.056HCO3-+0.59H2CO3
綜上所述，可得反硝化過程需要有機碳源（甲醇）的投加量公式為：
Cm=2.47Ni+1.53N0+DO0
其中：
Cm為反硝化過程中需要的甲醇濃度（mg/l）
其余符號同上
綜上所述，硝化反應每氧化1g氨氮耗氧4.57g,消耗堿度7.14g,表現為PH值下降，在反硝化過程中，去除硝酸鹽氮的同時去除碳源，這部分碳源折合DO2.6g,另外，反硝化過程中補償堿度3.57g。