污水生物脱氮的基本原理就是在将有机氮转化为氨态氮的基础上，先利用好氧段经硝化作用，由硝化细菌和亚硝化细菌的协同作用，将氨氮通过硝化作用转化为亚硝态氮、硝态氮。在缺氧条件下通过反硝化作用将硝氮转化为氮气，溢出水面释放到大气，参与自然界氮的循环，大量减少水中含氮物质，降低出水的潜在危险性，达到从废水中脱氮的目的。
具有脱氮除磷功能的污水厂，有机物主要消耗在释磷、反硝化脱氮和异养菌生长等方面。但是，一般城市污水中所含的易降解COD(化学需氧量)是有限的，在低碳源污水处理系统中，COD/TN(化学需氧量与总氮的比值)较低的现象更为突出，VFAs(挥发性脂肪酸)含量更是十分有限，碳源不足成为反硝化和释磷的限制因素，所以在生物脱氮除磷系统中，聚磷菌和反硝化菌因碳源不足而产生竞争，影响去除效果，因此目前进水情况下，仅靠生物作用，脱氮及除磷效率一般都较低。
为改善低碳源污水处理系统的脱氮效率，国内外众多学者及工程师开展了多项脱氮技术的研究及应用工作，内部工艺优化及新工艺开发研究成为研究热点，但从运行效果来看，对于低碳源污水的处理，各种工艺对脱氮除磷的改善作用仍然有限，且整体脱氮效果仍然不高，总磷效果恶化;在应对有机物浓度较低、C/N(碳氮比)相对较高的城市污水时，污水厂一般采用外加碳源(如甲醇、乙醇、乙酸钠、乙酸、葡萄糖、淀粉等)的方式，求得出水达标，但采用的投加商业碳源的方式不仅增加了经济成本，同时也违背了节能减排、低能耗的宗旨。对于污水处理脱氮，生化法显然是最为经济的方法，在各类最新脱氮机理尚未取得突破性进展之前，硝化反硝化机理是生物脱氮的唯一途径，因此开发性能优异、价格低廉的替代商业碳源是解决脱氮问题的重要研究方向。