國外從六十年代開始系統(tǒng)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(xiàn)工業(yè)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)釋放磷，在好氧狀態(tài)從外部攝取磷，并將其以聚合形態(tài)儲藏在體內，形成高磷污泥，排出系統(tǒng)，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(chǎn)生影響，一般污泥齡短的系統(tǒng)產(chǎn)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(jīng)完全證實，再說橫無除磷工藝中，經(jīng)過厭氧釋放磷酸鹽的活性污泥，在好氧狀態(tài)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(lián)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(tǒng)的厭氧區(qū)中，含聚磷菌的會留污泥與污水混合后，在初始階段出現(xiàn)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)過2小時厭氧后，磷的釋放已經(jīng)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(chǎn)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(huán)境并有充足營養(yǎng)的條件下，受到壓抑而釋放出體內的磷酸鹽，產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)，從而達到除磷的目的。生物除磷的優(yōu)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(jīng)好氧分解后產(chǎn)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(tǒng)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(yōu)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。