硝化過程主要由自養微生物完成，亞硝酸菌和硝酸菌都是化能自養菌，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菌長得多，生長繁殖速度緩慢， 產率較低，若進水中有機污染物(COD)大大超過氨氮時，異養菌大量繁殖，并在與硝化菌競爭中占優勢，逐漸成為優勢菌種，從而降低反應器的硝化效率。一般認為處理系統的 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氧作為最終電子受體。在無氧情況時，反硝化菌利用硝態氮和亞硝態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定。

硝化、反硝化過程對有機物的存在是矛盾的：自養硝化菌適宜在低碳源環境下生存，在大量有機物存在時，對氧氣和營養物質的競爭不如好氧異養菌，致使反應器內異養菌成為優勢菌種；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量小的優勢，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，同時，與醇類碳源相比，糖類物質更容易產生亞硝態氮積累的現象，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 工業葡萄糖含雜質多，食品葡萄糖價格貴。

4、生物質碳源

隨著污水脫氮要求的提高，新興起專業生產碳源的企業，他們通過生物工程原理，對一些糖類、農產品廢料等進行發酵，生產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。這類型產品，也是目前很多多提到的復合碳源產品。