污水生物脱氮通过硝化作用和反硝化作用。硝化作用的细菌为好氧细菌，主要包括硝酸螺菌属、亚硝酸杆菌属、硝酸球菌属等。硝化作用是在好氧条件下，利用硝化菌经历复杂的生化反应，将氨氮化成亚硝酸盐氮，然后再氧化成硝酸盐氮。反硝化作用的反硝化菌在缺氧状态下将亚硝氮和硝氮还原成氮气，主要为兼性厌氧细菌。自然界具反硝化能力的细菌较多，如变形菌门的多个纲的细菌。
生物除磷是聚磷菌在厌氧环境中水解聚磷和糖原产生ATP，同时吸收污水中的挥发性脂肪酸。ATP是生物的能量载体，磷元素是ATP的组成之一，ATP储存于体内用于供能微生物生长代谢，从而使聚磷菌成为优势菌种，因此污水中的磷酸盐被微生物大量吸收，最终通过排放剩余污泥达到除磷的目的。
