生物脱氮机理是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N2气体的过程，整个过程包括两个阶段：硝化和反硝化。
硝化反应是在好氧条件下和硝化的作用下，氨态氮进一步分解、氧化成硝酸盐的生化反应过程。首先，在亚硝化单胞菌的作用下，使氨氮(NH4+)转化为亚硝酸盐NO2-N，硝化杆菌再将NO2-N氧化成稳定的硝酸盐NO3-N，后一反应较快，一般不会造成NO2-N的积累。
反硝化反应是指污水中的硝酸盐(NO3-)，在缺氧状态下，在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮(N2)的过程。
生物除磷基本原理是在好氧条件下，聚磷菌仍有氧呼吸，不断的氧化体内储存的有机底物，同时也不断从外部环境向其体内摄取体内所需的有机底物，由于氧化分解，又不断的放出能量。能量为ADP所获得，并结合H3PO4而合成ATP (三磷酸腺苷) 。 H3PO4除一小部分是聚磷菌分解其体内聚磷酸盐而取得的外，大部分是聚磷菌将外部环境中的H3PO4摄入体内的。摄入的H3PO4一部分用于合成ATP，另一部分则用于合成聚磷酸盐。在厌氧的条件下，聚磷菌体内的ATP进行水解，放出H3PO4和能量，形成ADP。 这样，通过上述两个步骤，聚磷菌具有在好氧条件下，过剩摄取H3PO4，在厌氧条件下释放H3PO4的功能。在污水生物除磷工艺中，厌氧状态和好氧状态在时间或空间上的交替运行，使聚磷菌群体能在快速生物降解基质的竞争中取得优势，通过排除高含磷量的剩余污泥，获得低含磷量的净化处理出水。
由于快速生物降解COD理论的发展，人们逐渐认识到反硝化菌与聚磷菌间的矛盾主要是由基质竞争引起的，因而现今有很大一部分研究者将工作的重点转移到了对碳源需求的研究上。
微生物生长所需要的一类营养物,是含碳化合物。常用的有糖类、油脂、有机酸等，碳源对于微生物生长代谢的作用主要是提供细胞的碳架，是为微生物活动所需要的的能量。