在进行生物脱氮研究时可以发现，过去认为生物脱氮是利用厌氧区设置或控制过程的方式，实现厌氧环境的形成，从而以硝化反硝化作用起到脱氮的作用。而随着科技的进步，如今最新研究却发现厌氧反应器存在废水氨氮含量指标减少问题，好氧条件下出现同时硝化反硝化作用等，这些现象都是传统生物脱氮理论无法解释的现象。从微环境角度分析，微生物絮体表层溶解氧浓度高，其传递受阻，加上微生物消耗溶解氧，导致微生物絮体内形成厌氧环境和兼氧环境，随后由于搅动使微环境出现变换，最终进入微生物厌氧、兼氧、好氧等不断交替，产生硝化反硝化作用。另外，异氧硝化菌和好氧反硝化菌可以在不用厌氧、兼氧、好氧等不断交替下，单纯在厌氧条件下发生硝化作用。根据相关研究可知，在亚硝化菌作用下可以实现将氨转化为氮。
生物除磷由聚磷菌完成，是指利用在厌氧环境下，聚磷菌会释放磷，聚磷菌把细胞内聚磷水解为正酸盐，并从中获得能量，吸收污水中易降解的化学需氧量。而在有氧环境下，其则会摄取磷，即在好氧或缺氧条件下，聚磷菌以分子氧或化合态氧作为电子受体，氧化代谢内贮物质PHB或PHV等，过量地从无水中摄取磷酸盐，其中一部分转化为聚磷，作为能量贮于胞内，并进行富磷污泥的排除，从而起到除磷的作用。通过研究可知，进行废水生物除磷，聚磷菌必须先在厌氧条件下进行释放磷，随后才能够在有氧条件下提取磷，最后达到除磷的效果。其中在厌氧环境下，聚磷菌释放磷水平不会对最终的除磷效果产生大的影响，其主要与有机物类型和硝酸根离子含量有关。
随着相关研究人员加强对生物除磷的研究，可以认为在缺氧环境下将硝酸根离子作为电子受体内的聚羟基脂肪酸酯并进行磷的摄取，从而达到反硝化和加大摄取磷的目的。虽然该种工艺的研究还不够完善，其将会在未来逐渐得到全新的开发，从而降低化学需氧量，有效提高除磷效果。