硝化作用是指在有氧条件下，通过亚硝酸菌和硝酸细菌的作用，将氨转化为硝酸的过程。硝化作用分两个阶段进行，首阶段是氨氧化成硝酸盐，由硝酸盐完成。第2阶段是硝酸盐氧化成硝酸，用硝酸细菌完成。亚硝酸菌和硝酸细菌统称为硝化细菌。
大量施用铵盐或硝酸盐肥料，除了被植物吸收和被微生物固定以外，还会产生相当一部分与水一起流失的硝酸。损失后不仅会造成氮的损失，还会造成环境污染。硝酸盐进入地下水或流入水井后，饮用水中硝酸盐浓度会增加。硝酸盐流入水体，增加水体营养成分，使浮游生物和藻类蓬勃生长的现象称为富营养化。硝化过程也会产生相当数量的N2O，这是温室效应气体，会导致臭氧层的破坏。
反硝化作用是指微生物将硝酸还原为亚硝酸、氮、氮的作用称为反硝化作用。反硝化作用需要具有反硝化微生物,一般只在厌氧条件下进行。
反硝化作用是造成土壤中氮流失的重要原因之一。农业上经常采用耕作松土的方法，施用硝化控制剂，控制反硝化作用。
水体富营养化问题日益突出，水质指标体系日趋严格，废水脱氮问题成为水污染控制中广泛关注的热点问题。传统多级设备的生物脱氮工艺和顺序式活性污泥工艺等对废水脱氮起到了重要作用，但仍存在以下问题：
1、硝化反应和反硝化反应所需条件不同，要有序进行，HRT长，反应池所占面积大。
2、污泥产量大，剩余污泥处理成本高，污泥不易沉淀，容易发生污泥膨胀。
3、水质耐受、水冲击负荷能力差、运行不够稳定。
4、中和硝化过程中产生的酸度需要碱中和，处理成本增加。
5、曝气池的生物浓度低，曝气池氧气的传导效率低。
相比之下，单级生物脱氮工艺在生物脱氮过程中显示出更多优势。硝化反应消耗氧气，消耗碱度，但不消耗碳源，但反硝化过程不需要氧气，产生碱度，消耗大量碳源，两者在两方面都是互补的。
如果硝化和反硝化反应可以在同一处理系统中连续实现，硝化反应的产物可以直接成为反硝化反应的底物，避免硝化过程中NO2-积累对硝化反应的控制，加快硝化反应的速度，有效地利用废水中的有机碳源进行反硝化。