硝化反应是在好氧条件下，通过亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用，将氨氮氧化成亚硝酸盐和硝酸盐的过程，称为硝化作用。主要方程式如下：
NH4++1.5O2 → NO2-+H2O+2H+
NO2-+0.5O2 → NO3-
反硝化反应是在厌氧条件下，由于兼性脱氮菌(反硝化菌)的作用，将NO2--N和NO3--N还原成N2和水的过程，称为反硝化。反硝化反应方程式为：
NO2-+3H(电子供给体-有物) → 0.5N2+H2O+OH-
NO3-+5H(电子供给体-有机物)→ 0.5N2+2H2O+OH-
由以上硝化反应和亚硝化反应的方程式来看，在一体化污水处理设备好氧池内进行硝化反应，在一体化污水处理设备厌氧池内进行反硝化反应。好氧池内是将氨氮转化成硝态氮的过程，所以去除氨氮的步骤是在好氧池内完成的，但是好氧池内只是氮的形态变化，总量并没有变化，因此硝化反应实际上是将氨氮转化为了总氮。而总氮的去除是分为两个步骤，首先是在好氧池内进行硝化反应，将氨氮转化成硝态氮，然后在厌氧池内将硝态氮转化成N2释放，从而实现了氨氮和总氮的去除。
为了保证缺氧池碳源的充足，正常的一体化污水处理设备流程都是缺氧池在前好氧池在后，经过以上的方程式及分析，去除总氮需要将硝化反应之后的污水再回流至缺氧池内进行反硝化反应，所以好氧池和缺氧池之间需要加硝化液回流泵，回流比不小于200%。
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