S型濾磚硝化反應是由一類自養耗氧微生物完成的，包括兩個步驟：步為亞硝化過程，是由亞硝酸菌將氨氮轉化為亞硝酸鹽;第二步為硝化過程，由硝酸菌將亞硝酸鹽進一步氧化為硝酸鹽，亞硝酸菌和硝酸菌統稱為硝化菌，都利用無機碳化合物如CO32-、HCO3-和CO2作為碳源，從NH3、NH4+或NO2-的氧化反應中獲取能量。
亞硝酸菌和硝酸菌的特性大致相似，但前者的世代期較短，生長率較快，因此較能適應沖擊負荷和不利的環境條件，當硝酸菌受到抑制時，有可能出現NO2-積累的情況。
S型濾磚反硝化反應
S型濾磚反硝化反應是由一群異養性微生物完成的生物化學過程，它的主要過程是在缺氧的條件下，將硝化過程中產生的亞硝酸鹽和硝酸鹽還原成氣態氮。反硝化細菌多數是兼性細菌，有分子態氧存在時，反硝化氧化分解有機物，利用分子氧作為終電子受體。在無分子態氧條件下，反硝化菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的N5+和N3-作為電子受體，O2-作為受氫體生成H2O和OH-堿度，有機物則作為碳源和電子供體提供能量，并得到氧化穩定。
S型濾磚反硝化過程中亞硝酸鹽和硝酸鹽的轉化時通過反硝化細菌的同化作用和異化作用來完成的。異化作用就是將NO2-和NO3-還原為NO、N2O、N2等氣體物質，主要是N2。而同化作用是反硝化菌將NO2-和NO3-還原成為NH3-N,供新細胞合成使用，使氮成為細胞質的成分，此過程可成為同化反硝化。
S型濾磚反硝化反應一般以有機物為碳源和電子供體。當環境中缺乏有機物時，微生物還可以消耗自身的原生質，進行所謂的內源反硝化。反應式如下：
C5H7O2N+4NO3-→5CO2+NH3+2N2+4OH-
可見內源反硝化的結果是細胞原生質的減少，并會有NH3的生成，因此廢水處理中均不希望此種反應占主導地位，而應提供必要的碳源。
