传统的研究结果表明硝化反应和反硝化反应所需的环境不同，它们不能在同一个结构单元中共同实现。但随着对两类细菌及脱氮工艺的深入研究，发现在好氧状态下污水中有30%的总氮会被去除，这和传统的理论截然不同。再进一步的研究发现，在好氧的环境中也存在反硝化的现象，其存在着一种好氧反硝化的细菌。

随着同步硝化反硝化理论的出现，在一些污水处理工艺中也发现了类似的现象。目前对该理论的解释有三种：（1）环境理论：研究这认为在好氧的构筑物中，曝气的不均匀，在环境中局部出现了缺氧、厌氧和好氧的环境，因此在工艺运行过程中，会在局部出现适合反硝化反应的条件。（2）微观环境理论：该理论主要是针对颗粒污泥形式的微观环境，研究着认为在大于100μm 的颗粒污泥中，在颗粒中回形成内部缺氧或厌氧的环境，进而在颗粒外部进行硝化反应，在内部进行反硝化作用，因此，可实现同步硝化反硝化。（3）微生物理论：认为存在好氧环境进进行反硝化的细菌，即好氧反硝化菌。在好氧环境中硝化菌和好氧反硝化菌相互协作，实现了同步硝化反硝化。