硝化過程主要由自養(yǎng)微生物完成，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養(yǎng)菌，硝化過程所需碳源來自 CO2、HCO等無機碳源；硝化菌的世代期較異養(yǎng)菌長得多，生長繁殖速度緩慢， 產(chǎn)率較低，若進水中有機污染物(COD)大大超過氨氮時，異養(yǎng)菌大量繁殖，并在與硝化菌競爭中占優(yōu)勢，逐漸成為優(yōu)勢菌種，從而降低反應器的硝化效率。一般認為處理系統(tǒng)的 BOD 負荷小于0.15BOD/(gMLSS.d)時，硝化反應才能正常進行。
反硝化菌利用碳源作為電子供體，NO-和NO-作為電子受體，將 NO-、NO-還原成氮氣，達到脫氮的效果。當有溶解氧存在時，反硝化菌分解有機物利用分子態(tài)氧作為最終電子受體。在無氧情況時，反硝化菌利用硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮作為能量的電子受體，O2-作為受氫體生成 HO和 OH-堿度，有機物作為碳源及電子供體提供能量并被氧化穩(wěn)定。
硝化、反硝化過程對有機物的存在是矛盾的：自養(yǎng)硝化菌適宜在低碳源環(huán)境下生存，在大量有機物存在時，對氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭不如好氧異養(yǎng)菌，致使反應器內(nèi)異養(yǎng)菌成為優(yōu)勢菌種；而反硝化反應需要有機碳源作為電子供體完成脫氮過程。
在使用過程中，需要根據(jù)實際工程情況選擇合適的碳源。常用的碳源：甲醇、乙酸鈉、面粉、葡萄糖、生物質(zhì)碳源等。
1、甲醇
普遍認為甲醇作為外碳源具有運行費用低和污泥產(chǎn)量小的優(yōu)勢，甲醇作為碳源時，C/N〉5時能達到較好效果。
但其弊端有：
①作為化學藥劑，成本相對較高;
②響應時間較慢，甲醇并不能被所有微生物利用，當投加甲醇后，需要一定的適應期直到它完全富集，發(fā)揮全部效果，當用于污水處理廠應急投加碳源時效果不佳；
③甲醇具有一定的毒害作用，長期用甲醇作為碳源，對尾水的排放也會造成一定影響。
2、乙酸鈉
乙酸鈉的優(yōu)點在于它能立即響應反硝化過程，可作為水廠應急處置時使用。
普遍認為乙酸鈉反硝化速率不如甲醇高，但由于它沒有毒性，污泥產(chǎn)率與甲醇相差不多，所以認為它可以作為甲醇的替代碳源。以乙酸鈉為碳源，硝酸鹽為電子受體時，最佳的C/N=5，碳源缺乏時會引起亞硝酸鹽積累。
乙酸鈉多為20%、25%、30%的液體，由于當量COD低，運輸費用高，不能遠距離運輸。
3、糖類
以葡萄糖為代表的糖類物質(zhì)作為外加碳源處理效果不錯，可是，它作為一種多分子化合物，容易引起細菌的大量繁殖，導致污泥膨脹，增加出水中COD的值，影響出水水質(zhì)，同時，與醇類碳源相比，糖類物質(zhì)更容易產(chǎn)生亞硝態(tài)氮積累的現(xiàn)象，所以，并不提倡大量使用葡萄糖作為外投碳源。
缺點：
① 需要現(xiàn)場配置成溶液，勞動強度大，投加精準性差，大型污水處理廠無法使用。
② 工業(yè)葡萄糖含雜質(zhì)多，食品葡萄糖價格貴。
4、生物質(zhì)碳源
隨著污水脫氮要求的提高，新興起專業(yè)生產(chǎn)碳源的企業(yè)，他們通過生物工程原理，對一些糖類、農(nóng)產(chǎn)品廢料等進行發(fā)酵，生產(chǎn)無毒無害的生物制品，主要組分是小分子有機酸、醇類、糖類。其較單一的化學品更容易被微生物利用，其使用成本比單一化學品便宜，具備極高的性價比。這類型產(chǎn)品，也是目前很多多提到的復合碳源產(chǎn)品。