在自然界，氮化组合是以有机体（动物蛋白、植物蛋白）、氨态氮（NH+4、NH3）、亚硝酸氮（NO2）、硝酸氮（NO3）以及气态氮（N2）形式存在的。
污水中的氮主要以氨氮和有机氮的形式存在，通常含有少量或没有亚硝酸盐或硝酸盐形态存在的氮。在未经处理的污水中，氮有可溶性的，也有颗粒状的。可溶性有机氮主要以尿素和氨基酸的形式存在。一部分颗粒状有机氮在初沉池中可以除去。在生物处理过程中，大部分的颗粒状有机氮转化成氨氮或其他无机氮。在初沉池出水中，大部分的氮是以氨氮的形式存在的，只有约不到30%的氮在传统的二级处理中除去。
生物脱氮主要是靠一些专性细菌实现氮的形式的转化，并最终转化为无害气体——氮气，实现污水的脱氮过程。除氮的两个主要作用是同化作用和硝化反硝化。