生物脱氮
污水生物脱氮处理过程中氮的转化主要包括氨化、硝化和反硝化作用，其中氨化可在好氧或厌氧条件下进行，硝化作用是在好氧条件下进行，反硝化作用在缺氧条件下进行。生物脱氮是含氮化合物经过氨化、硝化、反硝化后，转变为N2而被去除的过程。
1、氨化反应
微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化反应，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强、并释放出氨的微生物称为氨化微生物。在氨化微生物的作用下，有机氮化合物可以在好氧或厌氧条件下分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例，加氧脱氨基反应式为：
RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3
水解脱氨基反应式为：
RCHNH2COOH+H2O→RCHOHCOOH+NH3
2、硝化反应
在亚硝化菌和硝化菌的作用下，将氨态氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程称为硝化反应。
3、反硝化反应
反硝化反应在缺氧条件下，NO2-和NO3-在反硝化菌的作用下被还原为氮气的过程称为反硝化反应，目前公认的从硝酸盐还原为氮气的过程。
大多数反硝化细菌是异养型兼性厌氧细菌，在污水和污泥中，很多细菌均能进行反硝化作用，如无色杆菌属、产气杆菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属、变形杆菌属、假单胞菌属等。这些反硝化菌在反硝化过程中利用各种有机底质（包括碳水化合物、有机酸类、醇类、烷烃类、苯酸盐类和其他苯衍生物）作为电子供体，NO3-,作为电子受体，逐步还原NO3-至N2。
4.同化作用
生物处理过程中，污水中的一部分氮（氨氮或有机氮）被同化成微生物细胞的组成成分，并以剩余活性污泥的形式得以从污水中去除的过程，称为同化作用。当进水氨氮浓度较低时，同化作用可能成为脱氮的主要途径。
生物除磷
生物除磷最基本的原理即是在厌氧-好氧或厌氧-缺氧交替运行的系统中，利用聚磷微生物具有厌氧释磷及好氧（或缺氧）超量吸磷的特性，使好氧或缺氧段中混合液磷的浓度大量降低，最终通过排放含有大量富磷污泥而达到从污水中除磷的目的。
生物除磷的机理目前尚未完全清楚，现普遍接受的有以下几个方面的认识：
（1)生物除磷主要由一类统称为聚磷菌的微生物完成，由于聚磷菌能在厌氧状态下同化发酵产物，使得聚磷菌在生物除磷系统中具备了竞争的优势。先前的研究结果表明，不动杆菌纯培养物中聚积的磷量占生物量的30%以上，是主要的除磷菌。近年来，陆续有文献报道，不动杆菌并不是污水生物除磷处理系统中唯一的除磷菌。常在生物除磷系统中出现的其他细菌主要有假单胞菌属、气单胞菌属、放线菌属和诺卡氏菌属等。
（2)在厌氧状态下，兼性菌将溶解性有机物转化成挥发性脂肪酸（VFA)；聚磷菌把细胞内聚磷水解为正磷酸盐，并从中获得能量，吸收污水中的易降解的COD(如VFA),同化成胞内碳能源存贮物聚β-羟基丁酸（PHB)或聚β-羟基戊酸（PHV)等。
（3)在好氧或缺氧条件下，聚磷菌以分子氧或化合态氧作为电子受体，氧化代谢胞内贮存物PHB或PHV等，并产生能量，过量地从污水中摄取磷酸盐，能量以高能物质ATP的形式存贮，其中一部分又转化为聚磷，作为能量贮于胞内，通过剩余污泥的排放实现高效生物除磷目的。