生物脫氮機理是在微生物的作用下，將有機氮和氨態氮轉化為N2氣體的過程，整個過程包括兩個階段：硝化和反硝化。

硝化反應是在好氧條件下和硝化的作用下，氨態氮進一步分解、氧化成硝酸鹽的生化反應過程。首先，在亞硝化單胞菌的作用下，使氨氮(NH4+)轉化為亞硝酸鹽NO2-N，硝化桿菌再將NO2-N氧化成穩定的硝酸鹽NO3-N，后一反應較快，一般不會造成NO2-N的積累。

反硝化反應是指污水中的硝酸鹽(NO3-)，在缺氧狀態下，在反硝化菌的作用下，被還原為氣態氮(N2)的過程。

生物除磷基本原理是在好氧條件下，聚磷菌仍有氧呼吸，不斷的氧化體內儲存的有機底物，同時也不斷從外部環境向其體內攝取體內所需的有機底物，由于氧化分解，又不斷的放出能量。能量為ADP所獲得，并結合H3PO4而合成ATP (三磷酸腺苷) 。 H3PO4除一小部分是聚磷菌分解其體內聚磷酸鹽而取得的外，大部分是聚磷菌將外部環境中的H3PO4攝入體內的。攝入的H3PO4一部分用于合成ATP，另一部分則用于合成聚磷酸鹽。在厭氧的條件下，聚磷菌體內的ATP進行水解，放出H3PO4和能量，形成ADP。 這樣，通過上述兩個步驟，聚磷菌具有在好氧條件下，過剩攝取H3PO4，在厭氧條件下釋放H3PO4的功能。在污水生物除磷工藝中，厭氧狀態和好氧狀態在時間或空間上的交替運行，使聚磷菌群體能在快速生物降解基質的競爭中取得優勢，通過排除高含磷量的剩余污泥，獲得低含磷量的凈化處理出水。

由于快速生物降解COD理論的發展，人們逐漸認識到反硝化菌與聚磷菌間的矛盾主要是由基質競爭引起的，因而現今有很大一部分研究者將工作的重點轉移到了對碳源需求的研究上。

微生物生長所需要的一類營養物,是含碳化合物。常用的有糖類、油脂、有機酸等，碳源對于微生物生長代謝的作用主要是提供細胞的碳架，是為微生物活動所需要的的能量。