污水生物脫氮的基本原理是：在好氧條件下通過硝化反應先將氨氮氧化為硝酸鹽，再通過缺氧條件下的反硝化反應將硝酸鹽異化還原成氣態氮從水中去除。由此而發展起來的生物脫氮工藝大多將缺氧區和好氧區分開，形成分級硝化反硝化工藝，以便硝化與反硝化能夠獨立進行。
　　
　　隨著近代生物學的發展以及人們對生物技術的掌握，污水脫氮除磷技術由以單純的工藝改革向著以生物學特性研究、促進工藝改革的方向發展，以達到低耗。主要表現在以下幾個方面：
　　
　　1）系統中硝化菌與聚磷菌間的矛盾主要在于泥齡。由于快速生物降解COD理論的發展，人們逐漸認識到反硝化菌與聚磷菌間的矛盾主要是由基質競爭引起的，所以有研究者將工作的重點轉移到對碳源需求的研究上：一是通過改進工藝將除磷和脫氮在空間和時間上分開，分別設置厭氧、缺氧、好氧環境來滿足脫氮和除磷要求；一是尋找快速可替代有機碳源，使反硝化速率加快，脫氮效率提高。目前已有研究者在研究如何采用生物技術將城市污水的初沉污泥這種潛在的碳源高速、地轉化為快速有機碳源，達到提高污水除磷脫氮效果和廢物利用的雙重目的。
　　
　　2）短程污水生物脫氮法由于具有節能、節約外加碳源、縮短水力停留時間和減少剩余污泥排放量等優點受到關注。利用微生物動力學特性的固有差異而實現亞硝酸菌和硝酸菌的動態競爭與選擇，尤其是通過降低溶解氧實現短程硝化的控制是對傳統生物脫氮處理的深化，但對活性污泥的沉降性能和污泥膨脹、低溶解氧下同步硝化與反硝化等問題，有待于進一步研究與完善。
　　
　　3）在一般系統中，提高除磷效率往往伴隨著脫氮率的下降，因此有研究者設想如果將反硝化與除磷這兩個需碳源的過程合二為一，即在缺氧環境下利用亞硝酸鹽作為電子受體，同時進行反硝化和超量聚磷，這樣可大大減少碳源需求量。已有研究者觀察到這種現象，并認為存在反硝化聚磷菌（DNPAO）可同時進行反硝化作用和超量聚磷，但在不同環境條件下，DNPAO的誘導增殖與代謝途徑的變化規律等仍有待研究。
　　
　　污水排放標準的不斷嚴格是目前世界各國的普遍發展趨勢，以控制水體富營養化為目的的氮、磷脫除技術開發已成為世界各國主要的奮斗目標。我國對污水脫氮除磷技術的研究起步較晚，投入的資金也十分有限，研究水平仍處于發展階段。目前在污水脫氮除磷技術基礎理論沒有重大革新之前，充分利用現有的工藝組合，開發技術成熟、經濟且符合國情的工藝應是今后我國污水脫氮除磷技術發展的主要方向，主要體現在：
　　
　　(1)開展對生物脫氮除磷更深入的基礎研究和應用開發，優化生物脫氮除磷組合工藝，開發、經濟的小型化、商品化脫氮除磷組合工藝。
　　
　　(2)發展可持續污水處理工藝，朝著節約碳源、降低CO2釋放、減少剩余污泥排放以及實現氮磷回收和處理水回用等方向發展。
　　
　　(3)大力開發適合現有污水處理廠改造的污水脫氮除磷技術。
　　
　　常用的污水脫氮除磷技術有：缺氧-好氧脫氮工藝；厭氧-好氧除磷工藝；厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷工藝等。但是，在常規的生物脫氮除磷工藝中，污泥在厭氧、缺氧和好氧段之間往復循環。該污泥由硝化菌、反硝化菌、除磷菌以及其它多種微生物組成，由于不同菌的*生長環境不同，脫氮與除磷之間存在著矛盾。實際應用中經常出現脫氮效果好時除磷效果較差，而除磷效果好時脫氮效果不佳。
　　
　　因此，常規污水生物脫氮除磷技術流程存在著影響該工藝有效運行的相互影響和制約的因素，主要表現為：①厭氧與缺氧段污泥量的分配比影響磷釋放或硝態氮反硝化的效果，厭氧段污泥量比例大則磷釋放效果好，但反硝化效果差；反之，則反硝化效果好，而磷釋放效果差；②原污水經厭氧段進入缺氧段，磷釋放與硝態氮反硝化爭奪碳源，當原水中碳源不足時，磷釋放或反硝化不*；③硝化菌世代繁殖時間長，要求較長的污泥齡，但磷從系統中被去除主要是通過剩余污泥的排放，因此要提高除磷效率則要求短污泥齡。對于某些含高濃度氨氮的工業廢水，由于碳源不足，總氮的去除率較低。