硝化过程主要由自养微生物完成，亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌，硝化过程所需碳源来自 CO2、HCO等无机碳源；硝化菌的世代期较异养菌长得多，生长繁殖速度缓慢， 产率较低，若进水中有机污染物(COD)大大超过氨氮时，异养菌大量繁殖，并在与硝化菌竞争中占优势，逐渐成为优势菌种，从而降低反应器的硝化效率。一般认为处理系统的 BOD 负荷小于0.15BOD/(gMLSS.d)时，硝化反应才能正常进行。
反硝化菌利用碳源作为电子供体，NO-和NO-作为电子受体，将 NO-、NO-还原成氮气，达到脱氮的效果。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最终电子受体。在无氧情况时，反硝化菌利用硝态氮和亚硝态氮作为能量的电子受体，O2-作为受氢体生成 HO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。
硝化、反硝化过程对有机物的存在是矛盾的：自养硝化菌适宜在低碳源环境下生存，在大量有机物存在时，对氧气和营养物质的竞争不如好氧异养菌，致使反应器内异养菌成为优势菌种；而反硝化反应需要有机碳源作为电子供体完成脱氮过程。
在使用过程中，需要根据实际工程情况选择合适的碳源。常用的碳源：甲醇、乙酸钠、面粉、葡萄糖、生物质碳源等。
1、甲醇
普遍认为甲醇作为外碳源具有运行费用低和污泥产量小的优势，甲醇作为碳源时，C/N〉5时能达到较好效果。
但其弊端有：
①作为化学药剂，成本相对较高;
②响应时间较慢，甲醇并不能被所有微生物利用，当投加甲醇后，需要一定的适应期直到它完全富集，发挥全部效果，当用于污水处理厂应急投加碳源时效果不佳；
③甲醇具有一定的毒害作用，长期用甲醇作为碳源，对尾水的排放也会造成一定影响。
2、乙酸钠
乙酸钠的优点在于它能立即响应反硝化过程，可作为水厂应急处置时使用。
普遍认为乙酸钠反硝化速率不如甲醇高，但由于它没有毒性，污泥产率与甲醇相差不多，所以认为它可以作为甲醇的替代碳源。以乙酸钠为碳源，硝酸盐为电子受体时，最佳的C/N=5，碳源缺乏时会引起亚硝酸盐积累。
乙酸钠多为20%、25%、30%的液体，由于当量COD低，运输费用高，不能远距离运输。
3、糖类
以葡萄糖为代表的糖类物质作为外加碳源处理效果不错，可是，它作为一种多分子化合物，容易引起细菌的大量繁殖，导致污泥膨胀，增加出水中COD的值，影响出水水质，同时，与醇类碳源相比，糖类物质更容易产生亚硝态氮积累的现象，所以，并不提倡大量使用葡萄糖作为外投碳源。
缺点：
① 需要现场配置成溶液，劳动强度大，投加精准性差，大型污水处理厂无法使用。
② 工业葡萄糖含杂质多，食品葡萄糖价格贵。
4、生物质碳源
随着污水脱氮要求的提高，新兴起专业生产碳源的企业，他们通过生物工程原理，对一些糖类、农产品废料等进行发酵，生产无毒无害的生物制品，主要组分是小分子有机酸、醇类、糖类。其较单一的化学品更容易被微生物利用，其使用成本比单一化学品便宜，具备极高的性价比。这类型产品，也是目前很多多提到的复合碳源产品。