污水厂内的硝化作用，是一个需要两组细菌参与才能完成的两步过程。也就是第一阶段，氨通过一组自养菌(主要以亚硝化单胞菌属，亚硝化球菌属，亚硝化螺旋菌属，亚硝化叶菌属等等细菌为主，注意前面都有亚硝化的前缀)氧化成亚硝酸盐，第二阶段，亚硝酸盐被另一组的自养菌(主要以硝化菌属，硝化球菌，硝化螺菌，硝化囊菌属等细菌为主，前缀是硝化)氧化成硝酸盐。这是两种不同的细菌在发挥作用才能完成污水厂内的污水硝化，也就是氨氮的生物硝化过程。
在实际生产中，去除氨氮所需要的氧气的大致的量，特别是遇到特殊水质进水时，造成进水氨氮持续增高的时候，要注意溶解氧的调整，确保这个生物脱氮的化学表示的方程能够进行下去。
在生物反应池中，如果没有及时中和生成的H+离子，就会导致反应右端的浓度无限增加，最终使硝化反应不再进行。研究表明进水中的H+离子较多的时候，也就是进水的PH低于6.8时，硝化反应速率开始明显下降，如果接近6.0，反应下降幅度达到90%。因此在硝化反应中，还有一个对碱度的需要，也就是中和生成的H+离子的反应。
在污水处理过程中存在的大量的微生物是需要大量的氮元素来完成自身的生物体繁殖和生长所需的，因此我们在硝化反应中，还要考虑生物体本身所需要的氮元素，也就是我们通常所说的同化作用：构成污水厂内活性污泥的微生物在自身生长过程中从污水中所摄取的氮元素。
除了从化学反应的角度来看污水厂的硝化过程以外，我们还要从微生物的生长来考察污水厂的硝化反应。在相关的文献中介绍，硝化系统在生存的环境温度在28℃以下时，反应的速率是受到限制的，因此为了突破温度对反应速率的限制，一般会控制硝化反应的过程中是氧气是饱和的状态。这也就是在污水厂中的生化系统尽量要保持溶解氧充足来控制出水的氨氮达标。但是由于硝化菌的反应速率远远低于消耗污水中的有机物的异养菌的反应速率，因此在污水厂中，我们为了保证硝化反应的进行，就需要控制两个因素，一个是曝气池内的充足的溶解氧，一个是要有足够的污泥龄，让硝化菌有时间来进行硝化反应。