암모니아성 질소가 호기성 조건에서 질산화 미생물에 의해 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 변화하는 과정으로, 독립영양미생물에 의해 일어나며 성장속도가 느려 반응에 긴 시간 필요하다.
2NH3 + 3O2 → 2NO2- + 2H+ + 2H2O(Nitrosomonas) 2NO2- + O2 → 2NO3-(Nitrobacter) 질산화 과정에서는 NH3 → NO2-의 반응보다 NO2- →NO3-의 반응이 산소요구가 작고, Nitrosomonas가 환경변화에 민감해 NO2-가 일단 생성되면 쉽게 NO3-로 산화되기 때문에 일반적으로 수중에는 NO2-보다 NO3-가 높은 농도로 존재한다.
질산화 반응의 영향인자 중 온도는 질산화 미생물의 성장 가능온도 4∼50℃범위이며 질산화 반응에 관여하는 미생물의 최적 pH는 7.5∼8.6이며, 질산화 반응과정에서 알칼리도가 소비되므로 반응조 내 알칼리도는 최저 50mg/ℓ이상으로 유지해야 한다.
또한 용존산소 0.5mg/ℓ이하에서는 질산화율이 현저하게 감소한다.
탈질화(Denitrification) 혐기성 상태에서 미생물이 호흡을 하기 위하여 질산성 질소를 환원시키는 과정으로 질산화의 반대과정으로 고도처리 과정에서 질소제거의 중요한 기작이다.
2NO3- + 5H2 → N2 + 2OH- + 4H2O 관여미생물로는 Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus, Achromobacter가 있으며 탈질반응의 영향인자 중 온도범위는 4∼50℃이고 적정 pH는 7∼8범위, 용존산소 존재 시는 산화질소에 비해 산소호흡이 선호되므로 용존산소가 0.5mg/ℓ이상되면 탈질화 과정을 방해한다.