汙水生物脫氮的基本原理是在將有機氮轉化為氨氮的基礎上，首先通過好氧段的硝化作用和硝化細菌與亞硝化細菌的協同作用，將氨氮轉化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，即氨氮轉化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。硝態氮在缺氧條件下通過反硝化作用轉化為氮氣，即(反硝化作用)和(反硝化作用)還原為氮氣，溢出水面，釋放到大氣中參與自然氮循環。水中含氮物質大大減少，降低了出水的潛在危險，達到了廢水脫氮的目的。
氮和磷是生物體重要的營養來源。隨著化肥、洗滌劑、農藥的廣泛使用，自然水體中氮、磷含量急劇增加，水體中藍藻、綠藻大量繁殖，水體缺氧並產生毒素，使水質惡化，對水生生物和人類健康造成極大危害。而我國現有的城市汙水處理廠主要以去除有機物為主，汙水(廢水)的壹級處理只是去除水中的泥沙和懸浮物；在好氧生物處理中，生活汙水被生物降解，大部分可溶性含碳有機物被去除。
磷在自然界中以兩種狀態存在:可溶態或顆粒狀。所謂除磷，就是將水中溶解的磷轉化為顆粒磷，從而將磷從水中分離出來。在廢水的生物處理中，在厭氧條件下，聚磷菌的生長受到抑制，其細胞內的聚磷酸鹽被釋放出來供自身生長，同時產生利用廢水中簡單溶解有機基質所需的能量，稱為釋磷。進入好氧環境後，活性完全恢復，在充分利用底物的同時，從廢水中吸收大量溶解的正磷酸鹽，從而完成聚磷過程。去除這些從廢水中大量吸收磷的微生物，就可以達到除磷的目的。