Nitrogen trong nước thải thường tồn tại ở dạng hữu cơ, ammonia, nitrite, nitrate và các loại khí Nitrogen. Nitrogen hữu cơ bào gồm dạng hào tan và hạt riêng, dạng hoà tan thì nitrogen phần lớn là urea và amino acid. Nguồn chủ yếu là từ bài tiết của con người, rác sinh hoạt, và chất thải công nghiệp (sản xuất thực phẩm). Nước thải sinh hoạt thường chứa 20 mg/L nitrogen hữu cơ và 15 mg/L nitrogen vô cơ.
Ảnh hưởng môi trường sống: Trong quá trình nitrate hoá sinh học, hợp chất nitrogen và ammonia cùng với việc sử dụng lượng lớn oxy trong nước gây ra quá trình phú dưỡng hoá nguồn nước nhận. Ammonia có thể gây độc cho sinh vật thuỷ quyển và phản ứng nhanh với chlorine (ảnh hưởng đến khử trùng nước thải).
Lượng nitrate (NO3-N) cao trong nước được xem là nguyên nhân bệnh thiếu máu
methemogloninemia cho trẻ em (trẻ xanh xao), vì vậy việc kiểm soát nitrogen trong nguồn thải ra cần phải được quan tâm nhiều.
Để xử lý nitrogen thường cần một hệ thống xử lý tiên tiến (loại bỏ dinh dưỡng), hay xử lý cấp 3 (quá trình lọc) sau xử lý thứ cấp, trong đó xử lý tiên tiến hiệu quả không cao với nitrogen dạng hạt riêng mà chỉ cho một số hợp chất nitrogen, còn xử lý cấp 3 với phương pháp lọc thì hiệu quả cao trong loại bỏ nitrogen lơ lửng tuy nhiên chủ yếu là nitrogen vô cơ, khi dùng phương pháp thẩm thấu hay thẩm tách có thể loại bỏ tốt ammonium với hiệu quả khoảng 40-80% tuỳ vào từng loại, nhưng thực tế không dùng phương pháp này để xử lý nước thải. Đông tụ hoá học cũng có thể xứ lý một phần nitrogen bên cạnh Phosphorus.
Một số phương pháp kiểm soát nitrogen: quá trình sinh học nitrate hoá-khử nitrate, khử trùng bằng chlorine, trao đổi ion, tuyển nổi khí (NH3)…Đầu ra ở bể lắng thứ cấp có Ammonia cao và BOD thấp tạo nên điều kiện thuận lợi lớn cho các loại vi sinh dị dưỡng thực hiện nitrate hoá. Quá trình này đòi hỏi tuổi bùn cao với nhiệt độ thấp. Sau khi oxy hoá amonia thành nitrate trong bể aerotank, bùn hoạt tính chứa lượng lớn nitrate lắng ở bể lắng thứ cấp được thải ra ngoài hoặc tuần hoàn lại bể aerotank.
Quá trình kiểm soát nitrogen có thể chia làm 2 dạng: nitrate hoá và nitrate hoá-khử nitrate, phụ thuộc vào yêu cầu chất lượng nước thải ra.
Hình 11: Kết hợp trong hệ thống khử Nitrate (Nguồn [16])