硝化過程主要由自養微生物完成，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養菌，硝化過程所需碳源來自 CO2-、HCO-等無機碳源；硝化菌的世代期較異養菌長得多，生長繁殖速度緩慢， 產率較低，若進水中有機污染物(COD)大大超過氨氮時，異養菌大量繁殖，并在與硝化菌競爭中占優勢，逐漸成為優勢菌種，從而降低反應器的硝化效率。一般認為處理系統的 BOD 負荷小于0.15BOD/(gMLSS.d)時，硝化反應才能正常進行。
反硝化菌利用碳源作為電子供體，NO-和NO-作為電子受體，將 NO-、NO-還原成氮氣，達到脫氮的效果。當有溶解氧存在時，反硝化菌分解有機物利用分子態氧作為最終電子受體。在無氧情況時，反硝化菌利用硝態氮和亞硝態氮作為能量的電子受體，O2-作為受氫體生成 HO和 OH-堿度，有機物作為碳源及電子供體提供能量并被氧化穩定。
硝化、反硝化過程對有機物的存在是矛盾的：自養硝化菌適宜在低碳源環境下生存，在大量有機物存在時，對氧氣和營養物質的競爭不如好氧異養菌，致使反應器內異養菌成為優勢菌種；而反硝化反應需要有機碳源作為電子供體完成脫氮過程。
反硝化碳源的選擇原則
1、外加碳源易被微生物降解，易被反硝化菌利用，不存在殘留物對后續出水達標造成不利影響的間題；
2、反應速度足夠快，確保所投加的碳源盡量在厭、缺氧功能區內耗盡，避免增加后續曝氣系統的負擔和運行成本；
3、不會對系統內的微生物種群類型和含量造成影響，避免投加碳源前后出現微生物的短暫適應性問題；
4、價格便宜，安全性好，且易于投加、保存和運輸，可就近獲得。
