一、生物脱氮
1、硝化反应硝化反应由好氧自养型微生物完成，在有氧状态下，利用无机碳为碳源将NH4+化成NO2-，然后再氧化成NO3-的过程。
硝化过程可以分成两个阶段。第一阶段是由亚硝化菌将氨氮转化为亚硝酸盐（NO2-），第二阶段由硝化菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐（NO3-）。
2、反硝化反应
反硝化反应是在缺氧状态下，反硝化菌将亚硝酸盐氮、硝酸盐氮还原成气态氮（N2）的过程。
反硝化菌为异养型微生物，多属于兼性细菌，在缺氧状态时，利用硝酸盐中的氧作为电子受体，以有机物（污水中的BOD成分）作为电子供体，提供能量并被氧化稳定。
二、生物除磷
1、除磷菌的过量摄取磷好氧条件下，除磷菌利用废水中的BOD5或体内贮存的聚b-羟基丁酸的氧化分解所释放的能量来摄取废水中的磷，一部分磷被用来合成ATP，另外绝大部分的磷则被合成为聚磷酸盐而贮存在细胞体内。
2、除磷菌的磷释放
在厌氧条件下，除磷菌能分解体内的聚磷酸盐而产生ATP，并利用ATP将废水中的有机物摄入细胞内，以聚b-羟基丁酸等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出体外。
3、富磷污泥的排放
在好氧条件下所摄取的磷比在厌氧条件下所释放的磷多，废水生物除磷工艺是利用除磷菌的这一过程，将多余剩余污泥排出系统而达到除磷的目的。
