1、同化作用：廢水生物處理中，一部分氮(氨氮或有機氮)被同化成微生物細胞的組分。按照細胞干重來計算，微生物細胞中氮的含量約為12.5%。
2、氨化作用：有機氮化合物在氨化菌的作用下，分解、轉化為氨氮，這一過程成為氨化反應。以氨基酸為例，反應式如下：
RCHNH2COOH+O2→NH3+CO2+RCOOH
氨化菌為異養菌，一般氨化過程與微生物去除有機物同時進行，有機物去除結束時，已經完成氨化過程。
3、硝化作用：硝化左右是由硝化細菌經過兩個過程，將氨氮轉化為亞硝酸亞氮和硝酸鹽氮。
氨氮的細菌氧化過程為：
NH4++3/2O2→NO2-+H2O+2H+
亞硝酸氮的細菌氧化過程為：
NO2_+1/2O2→NO3_
總反應式：
NH4++2O2→NO3_ +H2O+2H+
4、反硝化作用：反硝化作用是在缺氧條件下。將亞硝酸氮和硝酸氮還原成氣態氮(N2)或N2O、NO。參與這一生化反應的是反硝化細菌，這類細菌在缺氧條件下，將硝酸根和亞硝酸根作為電子受體。
反硝化的簡化生物化學反應式如下：
NO3_→NO2-→NH2OH→有機物(同化反硝化)
NO3_→NO2-→N2O→N2(異化反硝化)
反硝化過程和硝化過程一樣，也受溫度、溶解氧、酸堿度、C/N、有毒物質影響。需要說明的是反硝化細菌是異氧兼性厭氧菌，只有DO在0-0.3mg/l才能實現反硝化作用。
