生物脫氮機理是在微生物的作用下，將有機氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)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(yīng)是在好氧條件下和硝化的作用下，氨態(tài)氮進一步分解、氧化成硝酸鹽的生化反應(yīng)過程。首先，在亞硝化單胞菌的作用下，使氨氮(NH4+)轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽NO2-N，硝化桿菌再將NO2-N氧化成穩(wěn)定的硝酸鹽NO3-N，后一反應(yīng)較快，一般不會造成NO2-N的積累。

反硝化反應(yīng)是指污水中的硝酸鹽(NO3-)，在缺氧狀態(tài)下，在反硝化菌的作用下，被還原為氣態(tài)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(nèi)儲存的有機底物，同時也不斷從外部環(huán)境向其體內(nèi)攝取體內(nèi)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(jié)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(nèi)聚磷酸鹽而取得的外，大部分是聚磷菌將外部環(huán)境中的H3PO4攝入體內(nèi)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(nèi)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(tài)和好氧狀態(tài)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(zhì)的競爭中取得優(yōu)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(fā)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(zhì)競爭引起的，因而現(xiàn)今有很大一部分研究者將工作的重點轉(zhuǎn)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(yǎng)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。