國外從六十年代開始系統地進行了脫氮除磷的物理處理方法研究，結果認為物理法的缺點是耗藥量大、污泥多、運行費用高等。因此，城市污水處理廠一般不推薦采用。從七十年代以來，國外開始研究并逐步采用活性污泥法生物脫氮除磷。我國從八十年代開始研究生物脫氮除磷技術，在八十年代后期逐步實現工業化流程。目前，常用的生物脫氮除磷工藝有A2/O法、SBR法、氧化溝法等。
生物脫氮原理
生物脫氮是利用自然界氮的循環原理，采用人工方法予以控制，首先，污水中的含氮有機物轉化成氨氮，而后在好氧條件下，由硝化菌左右變成硝酸鹽氮，這階段稱為好氧硝化。隨后在缺氧條件下，由反硝化菌作用，并有外加碳源提供能量，使硝酸鹽氮變成氮氣逸出，這階段稱為缺氧反硝化。整個生物脫氮過程就是氮的分解還原反應，反應能量從有機物中獲取。在硝化和反硝化過程中，影響其脫氮效率的因素是溫度、溶解氧、PH值以及碳源，生物脫氮系統中，硝化菌增長速度較緩慢，所以，要有足夠的污泥泥齡。反硝化菌的生長主要是在缺氧條件下進行，并且要用充裕的碳源提供能量，才可促使反硝化作用順利進行。
由此可見，生物脫氮系統中硝化與反硝化反應需要具備如下條件：
硝化階段：足夠的的溶解氧，DO值在2mg/L以上，合適的溫度，最好在20℃，不能低于10℃，，足夠長的污泥泥齡，合適的PH條件。
反硝化階段：硝酸鹽的存在，缺氧條件DO值在0.2mg/L左右，充足碳源（能源），合適的PH條件。
生物除磷原理
磷常以磷酸鹽（H2PO4-、HPO42-和H2PO43-)、聚磷酸鹽和有機磷的形式存在于廢水中，生物除磷就是利用聚磷菌，在厭氧狀態釋放磷，在好氧狀態從外部攝取磷，并將其以聚合形態儲藏在體內，形成高磷污泥，排出系統，達到從廢水中除磷的效果。
生物除磷主要是通過排出剩余污泥而去除磷的，因此，剩余污泥多少將對除磷效果產生影響，一般污泥齡短的系統產生的剩余污泥量較多，可以取得較高的除磷效果。有報道稱，當泥齡為30d時，除磷率為40%，泥齡為17d時，除磷率為50%，而當泥齡降至5d時，除磷率達到87%。
大量的試驗觀測資料已經完全證實，再說橫無除磷工藝中，經過厭氧釋放磷酸鹽的活性污泥，在好氧狀態下有很強的吸磷能力，也就是說，磷的厭氧釋放是好氧吸磷和除磷的前提，但并非所有磷的厭氧釋放都能增強污泥的好氧吸磷.磷的厭氧釋放可以分為兩部分：有效釋放和無效釋放，有效釋放是指磷被釋放的同時，有機物被吸收到細胞內，并在細胞內儲存，即磷的釋放是有機物吸收轉化這一耗能過程的偶聯過程。無效釋放則不伴隨有機物的吸收和儲存，內源損耗，PH變化，毒物作用引起的磷的釋放均屬無效釋放。
在除磷系統的厭氧區中，含聚磷菌的會留污泥與污水混合后，在初始階段出現磷的有效釋放，隨著時間的延長，污水中的易降解有機物被耗完以后，雖然吸收和儲存有機物的過程基本上已經停止，但微生物為了維持基礎生命活動，仍將不斷分解聚磷，并把分解產物（磷）釋放出來，雖然此時釋磷總量不斷提高，但單位釋磷量所產生吸磷能力隨無效釋放量的加大而降低。一般來說，污水污泥混合液經過2小時厭氧后，磷的釋放已經甚微，在有效釋放過程中，磷的釋放量與有機物的轉化量之間存在著良好的相關性，磷的厭氧釋放可使污泥的好氧吸磷能力大大提高，每厭氧釋放1mgP，在好氧條件下可吸收2.0~2.24mgP，厭氧時間加長，無效釋放逐漸增加，平均厭氧釋放1mgP，所產生的好氧吸磷能力降至1mgP以下，甚至達到0.5mgP。因此，生物除磷并非厭氧時間越長越好，同時在運行管理中要盡量避免PH的沖擊，否則除磷能力將大幅度下降，甚至完全喪失，這主要是由于PH降低時，會導致細胞結構和功能損壞，細胞內聚磷在在酸性條件下被水解，從而導致磷的快速釋放。生物除磷是污水中的聚磷菌在厭氧環境并有充足營養的條件下，受到壓抑而釋放出體內的磷酸鹽，產生能量以吸收快速降解有機物，并轉化為PHB（聚β烴丁酸）儲存起來。當這些聚磷菌進入好氧條件下時就講解體內儲存的PHB產生能量，用于細胞的合成和過量吸磷，形成高磷濃度污泥，隨剩余污泥一起排出系統，從而達到除磷的目的。生物除磷的優點在于不增加剩余污泥量，處理成本較低。缺點是未了避免剩余污泥中的磷再次釋放，對污泥處理工藝的選擇有一定的限制。在厭氧階段釋放1mg的磷吸收儲存的有機物，經好氧分解后產生的能量用于細胞合成、增殖，能夠吸收2~2.4mg的磷。因此磷的吸收取決于磷的釋放，而磷的釋放取決于污水中存在的課快速降解的有機物的含量，有機物與磷的比值越大，除磷效果就越好。一般的活性污泥法，其剩余污泥中的含磷量為1.5~2%，采用生物除磷工藝的剩余活性污泥中磷的含量可以達到傳統活性污泥法2~3倍，在設計中往往采用2~4%。
生物除磷工藝的前提是聚磷菌必需在厭氧條件下優勢增長，而后進入好氧階段才能增大磷的吸收量。因此，污水除磷的處理工藝必需在曝氣池前段設置厭氧段，并對污泥中糖的含量進行控制。生物除磷工藝對磷的去除可以達到出水含磷1.0mg/L以下；輔以化學除磷的話，可以保證出水水中磷濃度不高于0.5mg/L。