微生物去除氨氮過程需經兩個階段。
第一階段為硝化過程，亞硝化菌和硝化菌在有氧條件下將氨態氮轉化為亞硝態氮和硝態氮的過程。
第二階段為反硝化過程，污水中的硝態氮和亞硝態氮在無氧或低氧條件下，被反硝化菌（異養、自養微生物均有發現且種類很多）還原轉化為氮氣。
在此過程中，有機物（甲醇、乙酸、葡萄糖等）作為電子供體被氧化而提供能量。常見的生物脱氮流程可以分為3類，分別是多級污泥系統、單級污泥系統和生物膜系統。
反硝化作用（denitrification）也稱脱氮作用。反硝化細菌在缺氧條件下，還原硝酸鹽，釋放出分子態氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的過程。
