微生物去除氨氮过程需经两个阶段。
第一阶段为硝化过程，亚硝化菌和硝化菌在有氧条件下将氨态氮转化为亚硝态氮和硝态氮的过程。
第二阶段为反硝化过程，污水中的硝态氮和亚硝态氮在无氧或低氧条件下，被反硝化菌（异养、自养微生物均有发现且种类很多）还原转化为氮气。
在此过程中，有机物（甲醇、乙酸、葡萄糖等）作为电子供体被氧化而提供能量。常见的生物脱氮流程可以分为3类，分别是多级污泥系统、单级污泥系统和生物膜系统。
反硝化作用（denitrification）也称脱氮作用。反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的过程。