氮和磷是生物的重要营养源，随着化肥、洗涤剂和农药普遍使用，天然水体中氮、磷含量急剧增加，水体中蓝藻、绿藻大量繁殖，水体缺氧并产生毒素，使水质恶化，对水生生物和人体健康产生很大的危害。然而,我国现 有的城市污水处理厂主要集中于有机物的去除，污（废）水一级处理只是除去水中的沙砾及悬浮固体；在好氧生物处理中，生活污水经生物降解，大部分的可溶性含碳有机物被去除。

    废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，即，将 转化为 和 。在缺氧条件下通过反硝化作用将硝氮转化为氮气，即，将 （经反亚硝化）和 （经反硝化）还原为氮气，溢出水面释放到大气，参与自然界氮的循环。水中含氮物质大量减少，降低出水的潜在危险性，达到从废水中脱氮的目的。

　　该过程可分为三步:

　　第一步是氨化作用，即水中的有机氮在氨化细菌的作用下转化成氨氮。（在普通活性污泥法中，氨化作用进行得很快，无需采取特殊的措施）

　　第二步是硝化作用，即在供氧充足的条件下，水中的氨氮首先在亚硝酸菌的作用下被氧化成亚硝酸盐，然后再在硝酸菌的作用下进一步氧化成硝酸盐。

三步是反硝化作用，即在缺氧或厌氧的条件下，硝化产生的亚硝酸盐和硝酸盐在反硝化细菌的作用下被还原成氮气。

    磷在自然界以2种状态存在：可溶态或颗粒态。所谓的除磷就是把水中溶解性磷转化为颗粒性磷，达到磷水分离。废水在生物处理中,在厌氧条件下,聚磷菌的生长受到抑制,为了自身的生长便释放出其细胞中的聚磷酸盐,同时产生利用废水中简单的溶解性有机基质所需的能量,称该过程为磷的释放。进入好氧环境后,活力得到充分恢复,在充分利用基质的同时,从废水中摄取大量溶解态的正磷酸盐,从而完成聚磷的过程。将这些摄取大量磷的微生物从废水中去除,即可达到除磷的目的。

    聚磷菌在厌氧条件下，分解体内的多聚磷酸盐产生ATP，利用ATP以主动运输方式吸收产酸菌提供的三类基质进入细胞内合成PHB。与此同时释放出于环境中。

聚磷菌在好氧条件下，分解机体内的PHB和外源基质，产生质子驱动力将体外的输送到体内合成ATP和核酸，将过剩的聚合成细胞贮存物：多聚磷酸盐（异染颗粒）。