傳統的生物脫氮是由硝化和反硝化過程組成的，涉及亞硝化細菌，硝化細菌和反硝化細菌三種微生物。短程硝化-反硝化（PND）的生物脫氮過程是氨氮被氧化為亞硝酸鹽氮，而亞硝酸鹽氮直接轉化為氮氣。短程硝化反硝化的反應式及原理圖如下所示：
短程硝化反硝化實現的關鍵在于控制系統中NO-2-N的積累，當系統中NO-2-N積累率較高時，反硝化細菌將主要利用NO-2-N進行反硝化而不是NO-3-N。與全程硝化反硝化工藝相比，短程硝化反硝化工藝節約了30~40%的反應器容積，減少了約 25%的曝氣量，反硝化所需碳源減少了約40%，在硝化過程中可減少產泥24~33%，在反硝化過程中可減少產泥50%，節省了污 水處理中的污泥處理費用。由于該工藝對碳源的需求較低，因此特別適合處理低C/N的城鎮生活污水。
針對短程硝化反硝化技術研究與應用中，關鍵在于需要抑制亞硝化細菌（NOB） 并富集氨氧化細菌 （AOB），這一控制過程難度大，尤其是低濃度氨氮的城市生活污水。