污水生物脫氮通過硝化作用和反硝化作用。硝化作用的細菌為好氧細菌，主要包括硝酸螺菌屬、亞硝酸桿菌屬、硝酸球菌屬等。硝化作用是在好氧條件下，利用硝化菌經(jīng)歷復雜的生化反應，將氨氮化成亞硝酸鹽氮，然后再氧化成硝酸鹽氮。反硝化作用的反硝化菌在缺氧狀態(tài)下將亞硝氮和硝氮還原成氮氣，主要為兼性厭氧細菌。自然界具反硝化能力的細菌較多，如變形菌門的多個綱的細菌。

生物除磷是聚磷菌在厭氧環(huán)境中水解聚磷和糖原產(chǎn)生ATP，同時吸收污水中的揮發(fā)性脂肪酸。ATP是生物的能量載體，磷元素是ATP的組成之一，ATP儲存于體內(nèi)用于供能微生物生長代謝，從而使聚磷菌成為優(yōu)勢菌種，因此污水中的磷酸鹽被微生物大量吸收，最終通過排放剩余污泥達到除磷的目的。