反硝化反应是由一群异养型微生物完成的生物化学过程。在缺氧(不存在分子态溶解氧)的条件下，将亚硝酸根和硝酸根还原成氮气、一氧化氮或氧化二氮。参与反硝化过程的微生物是反硝化菌。反硝化菌属兼性菌，在自然环境中几乎无处不在，在废水处理系统中许多常见的微生物都是反硝化细菌。当有溶解氧存在时，反硝化菌分解有机物利用分子态氧作为终电子受体。在无溶解氧的情况下，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N(V)和N(III)作为能量代谢中的电子受体，O2-作为受氢体生成H2O和OH-碱度，有机物作为碳源及电子供体提供能量并被氧化稳定。