Khác với quá trình nitrat hoá quá trình khử nitrat sử dụng ôxy từ nitrat nên gọi là anoxic (thiếu khí). Các vi khuẩn ở đây là vi khuẩn dị dưỡng nghĩa là cần nguồn cacbon hữu cơ để tạo nên sinh khối mới.

Quá trình khử nitrat là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp sau:

NO3- > NO2- > NO (k) > N2O (k) > N2 (k)

Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử, chúng có thể là chất hữu cơ (phổ biến là các dạng cacbon hữu cơ), H2 và S. Khi có mặt đồng thời NO3- và các chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxy hoá, đồng thời NO3- nhận điện và bị khử về N2.

Phần lớn các vi khuẩn khử nitrat là dị dưỡng nghĩa là chúng dùng cacbon hữu cơ mà chúng sẽ ôxy hoá để tổng hợp tế bào mới. Chỉ có Thiobacilus denitrifcans là sử dụng nguồn điện tử từ S nguyên tố để tạo năng lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ CO2 và HCO3-) để tổng hợp tế bào mới.

Các phương trình tỉ lượng của quá trình khử nitrat phụ thuộc vào bản chất nguồn cacbon sử dụng như sau:

Đối với trường hợp nguồn cơ chất hữu cơ trong nước thải, phương trình tỉ lượng khử nitrat như sau:

Trong đó, C10 H19O3N là công thức trung bình của nước thải sinh hoạt. Nhóm OH- sẽ phản ứng với CO2 tạo độ kiềm bicacbonat:

OH- + CO2 => HCO3-

Cũng như trường hợp nitrat hoá, nếu tính cả quá trình sinh tổng hợp ta có:

Cứ 1 mg/l NO3- bị khử thì sinh ra 3,57 mg/l độ kiềm. Nếu trong hệ có NH3 thì lượng kiềm sinh ra sẽ ít hơn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat

+ Điều kiện phát triển vi khuẩn khử nitrat: pH 7 - 8; nhiệt độ từ 5 - 35 0C, cơ chất là chất tan, càng dễ được vi sinh hấp thụ càng tốt.

+ DO ức chế men khử nitrit (mạnh hơn so với tác động lên men khử nitrat). Nếu có DO, nitrit sẽ tích luỹ. Nếu DO = 5% mức bão hoà, tốc độ tạo khí NOx giảm, nếu đạt 13% thì men khử nitrit không hoạt động, nếu hơn 13% thì men khử nitrat cũng bị ức chế.

+ Bản thân nitrit cũng là chất độc. Nếu N-NO2- > hoặc = 14 mg/l ở pH = 7 thì quá trình chuyển hóa chất hữu cơ bởi Pseudomonas Aeruginosa sẽ chậm lại, ở nồng độ 350 mg/l quá trình bị ức chế hoàn toàn (kể cả quá trình oxic dùng chất nhận e- là O2). Tương tự, các khí NOx cũng là chất độc.

+ Sự khử đối với NO2- bị ảnh hưởng mạnh khi giảm pH < 7,5 (ngược lại đối với sự khử NO3-).

Tổng hợp các quá trình chuyển hoá nitơ trong nước thải bằng quá trình sinh học được thể hiện trong bảng dưới.