污水脫氮是在生物硝化工藝基礎上，增加生物反硝化工藝，其中反硝化工藝是指污水中的硝酸鹽，在缺氧條件下，被微生物還原為氮氣的生化反應過程。
導致出水總氮超標的原因涉及許多方面，主要有：
1、污泥負荷與污泥齡
由于生物硝化是生物反硝化的前提，只有良好的硝化，才能獲得高效而穩定的的反硝化。因而，脫氮系統也必須采用低負荷或超低負荷，并采用高污泥齡。
2、內外回流比
生物反硝化系統外回流比較單純生物硝化系統要小些，這主要是入流污水中氮絕大部分已被脫去，二沉池中NO3--N濃度不高。相對來說，二沉池由于反硝化導致污泥上浮的危險性已很小。另一方面，反硝化系統污泥沉速較快，在保證要求回流污泥濃度的前提下，可以降低回流比，以便延長污水在曝氣池內的停留時間。
運行良好的污水處理廠，外回流比可控制在50%以下。而內回流比一般控制在300～500%之間。
3、反硝化速率
反硝化速率系指單位活性污泥每天反硝化的硝酸鹽量。反硝化速率與溫度等因素有關，典型值為0.06～0.07gNO3--N/gMLVSS×d。
4、缺氧區溶解氧
對反硝化來說，希望DO盡量低，最好是零，這樣反硝化細菌可以“全力”進行反硝化，提高脫氮效率。但從污水處理廠的實際運營情況來看，要把缺氧區的DO控制在0.5mg/L以下，還是有困難的，因此也就影響了生物反硝化的過程，進而影響出水總氮指標。
5、BOD5/TN
因為反硝化細菌是在分解有機物的過程中進行反硝化脫氮的，所以進入缺氧區的污水中必須有充足的有機物，才能保證反硝化的順利進行。由于目前許多污水處理廠配套管網建設滯后，進廠BOD5低于設計值，而氮、磷等指標則相當于或高于設計值，使得進水碳源無法滿足反硝化對碳源的需求，也導致了出水總氮超標的情況時有發生。
6、pH
反硝化細菌對pH變化不如硝化細菌敏感，在pH為6～9的范圍內，均能進行正常的生理代謝，但生物反硝化的最佳pH范圍為6.5～8.0。
7、溫度
反硝化細菌對溫度變化雖不如硝化細菌那么敏感，但反硝化效果也會隨溫度變化而變化。溫度越高，反硝化速率越高，在30～35℃時，反硝化速率增至最大。當低于15℃時，反硝化速率將明顯降低，至5℃時，反硝化將趨于停止。因此，在冬季要保證脫氮效果，就必須增大SRT，提高污泥濃度或增加投運池數。