氮和磷是生物的重要营养源，在废水中含量高，是引发水体富营养化的根本原因。废水中氮元素主要有无机形态如硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐及有机氨氮等形态存在。随着各国对环境保护的重视，治理废水也取得了长足的进展，目前脱氮除磷的主流方法还是化学法和物理法，化学法脱氮除磷优点是效果稳定且效率高，但产生的污泥会对环境造成二次污染是其主要缺陷。物理法脱氮除磷对于基础投入高，机械的技术高构造复杂，适用于大型的废水处理。生物脱氮除磷技术因为涉及到微生物，微生物对所处的环境要求更加苛刻，往往在实验室条件下理论值较好，实际应用到工程效果不佳且处理成本较前两种更高，这严重制约了该技术的推广与应用。生物脱氮除磷是环保、副作用小的，发展生物脱氮除磷方法从长远来看，将成为解决水体富营养化问题的主流方案。
1、生物脱氮除磷原理
污水生物脱氮通过硝化作用和反硝化作用。硝化作用的细菌为好氧细菌，主要包括硝酸螺菌属、亚硝酸杆菌属、硝酸球菌属等。硝化作用是在好氧条件下，利用硝化菌经历复杂的生化反应，将氨氮化成亚硝酸盐氮，再氧化成硝酸盐氮。反硝化作用的反硝化菌在缺氧状态下将亚硝氮和硝氮还原成氮气，主要为兼性厌氧细菌。自然界具反硝化能力的细菌较多，如变形菌门的多个纲的细菌。
生物除磷是聚磷菌在厌氧环境中水解聚磷和糖原产生ATP，吸收污水中的挥发性脂肪酸。ATP是生物的能量载体，磷元素是ATP的组成之一，ATP储存于体内用于供能微生物生长代谢，从而使聚磷菌成为优势菌种，污水中的磷酸盐被微生物大量吸收，终通过排放剩余污泥达到除磷的目的。
2、废水处理生物脱氮除磷工艺
现行主流的废水生物脱氮除磷工艺主要可以按时间和空间分为2大类，其一是属于按时间顺序分布的间歇式活性污泥法工艺，典型代表是序批式反应器。其二是属于按空间分布的典型代表有厌氧/缺氧/好氧工艺、南非开普敦大学UCT同步脱氮除磷工艺等。
(1)序批式反应器（SBR）
序批式反应器是一种运行按间歇曝气方式的活性污泥污水处理工艺技术，序批式反应器工艺技术的核心结构为集生物降解池、初沉池等多种功能于一体的反应池，通过曝气和搅拌交替运行，无污泥回流系统，在反应池生成缺氧/好氧/厌氧环境，在氧浓度变化的交替过程中，细菌完成富集氮、磷，释放氮气及储能的过程。此类装置具有占地面积小、结构简单和运行成本低等优点。实际使用能达到较好的脱氮除磷效果，目前已在国内外广泛应用。
(2)厌氧/缺氧/好氧工艺（A2/O）
厌氧/缺氧/好氧（A2/O）工艺的流程是：污水依次进入厌氧池、缺氧池和好氧池。微生物在厌氧池中经三羧酸循环和乙醛酸循环代谢途径将易吸收的有机质转化为挥发性脂肪酸，回流污泥带入的聚磷菌将水解体内ATP释放能量，一部分供自身维持生存，另一部分供微生物吸收污水中的挥发性脂肪酸，并在NADH作用下合成聚β-羟基丁酸酯储存于体内。缺氧池中，反硝化菌利用硝化回流液中的硝酸盐中的氧作为电子受体，以有机物作为电子供体。到后环节的好氧池中，聚磷菌主要依靠分解体内储存的聚β-羟基丁酸酯供能，以维持生长繁殖。此类工艺结构简单，运行费用较低，无需投加药剂。硝化细菌和聚磷菌的佳生存条件不一致，导致系统无法兼顾硝化菌的生长，效果不佳。
3、废水处理生物脱氮除磷的影响因素
废水处理生物脱氮除磷的关键因素在于微生物要发挥其大的功效。影响微生物的主要因素包括碳源，氮源（废水），氧气浓度，pH，温度，反应时间。
(1)碳源
微生物生长必须具备合适的碳源，脱氮除磷的细菌常可用的碳源可以分为三类：易于生物降解的有机物，可慢速降解的有机物，体内储能物质。不同碳源可诱导硝化细菌、反硝化细菌或聚磷菌微生物在系统中占据优势地位，以实现佳效果。碳源的含量也会对微生物造成影响，碳氮比主要影响自养微生物硝化细菌的比例。在工程应用中应注意调节进水碳源比例。
(2)氧气浓度
因为生物脱氮除磷涉及到好氧菌、兼性厌氧菌，氧气浓度对不同微生物的作用尤为明显，是生物脱氮除磷工艺的重要控制条件。如当溶氧量处于饱和时，氨氮全部转化为硝氮，而当溶氧量降为小于0.1mg/L-1时，利于反硝化细菌的生长繁殖，反应器中亚硝氮大量积累。
(3)pH值
微生物对pH值的变化敏感，研究表明，硝化细菌硝化反应佳pH7.5～8.0，反硝化作用的佳pH6.5～8.0。pH过高或过低都会对细菌的代谢造成影响，进而影响硝化作用或者反硝化作用。pH值对生物除磷性能的影响也较显著，如pH值在厌氧释磷阶段可影响污水中的挥发性脂肪酸进入细胞的过程。
(4)温度
微生物有其发挥活性的适温度范围，生物脱氮除磷涉及到硝化细菌、反硝化细菌、聚磷菌参与反应。研究发现：硝化反应的佳温度范围在27±7℃，反硝化作用佳温度为40±5℃，而除磷效果佳温度为在20℃。
