反硝化過程是反硝化菌異化硝酸鹽的過程，即由硝化菌產生的硝酸鹽和亞硝酸鹽在反硝化菌的作用下，被還原為氮氣后從水中溢出的過程。反硝化主要分為兩步，第一步由硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽，第二步由亞硝酸鹽轉化為一氧化氮、氧化二氮和氮氣。
反硝化的影響因素：
1）溫度：反硝化的最適宜溫度范圍是35~45℃。
2）溶解氧：為了保證反硝化過程的進行，必須保持嚴格的缺氧狀態，保持氧化還原電位為-50~-110mV；為使反硝化反應正常進行，懸浮型活性污泥系統中的溶解氧保持在0.2mg/L以下；附著性生物處理系統可以容許較高的溶解氧濃度，一般低于1mg/L。
3）pH值：最佳范圍在6.5~7.5。
4）碳源有機質：需要提供足夠的碳源，碳源物質不同，反硝化速率也不同。
5）碳氮比：理論上將1g硝酸鹽氮轉化為氮氣需要碳源物質BOD5 2.86g。
針對以上影響因素，傳統活性污泥法的優化升級，原理是以功能強大的特制反硝化菌為脫氮污泥，通過增加單位體積內微生物的濃度，并改善流態和傳質，最終達到高效反硝化的目的。