硝化反應是在好氧條件下，通過亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌的作用，將氨氮氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽的過程，稱為硝化作用。主要方程式如下：
NH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+
NO2-+0.5O2→NO3-
反硝化反應是在厭氧條件下，由于兼性脫氮菌(反硝化菌)的作用，將NO2--N和NO3--N還原成N2和水的過程，稱為反硝化。反硝化反應方程式為：
NO2-+3H(電子供給體-有物) → 0.5N2+H2O+OH-
NO3-+5H(電子供給體-有機物)→ 0.5N2+2H2O+OH-
由以上硝化反應和亞硝化反應的方程式來看，在一體化污水處理設備好氧池內進行硝化反應，在一體化污水處理設備厭氧池內進行反硝化反應。好氧池內是將氨氮轉化成硝態氮的過程，所以去除氨氮的步驟是在好氧池內完成的，但是好氧池內只是氮的形態變化，總量并沒有變化，因此硝化反應實際上是將氨氮轉化為了總氮。而總氮的去除是分為兩個步驟，首先是在好氧池內進行硝化反應，將氨氮轉化成硝態氮，然后在厭氧池內將硝態氮轉化成N2釋放，從而實現了氨氮和總氮的去除。
為了保證缺氧池碳源的充足，正常的一體化污水處理設備流程都是缺氧池在前好氧池在后，經過以上的方程式及分析，去除總氮需要將硝化反應之后的污水再回流至缺氧池內進行反硝化反應，所以好氧池和缺氧池之間需要加硝化液回流泵，回流比不小于200%。
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