在進行生物脫氮研究時可以發現，過去認為生物脫氮是利用厭氧區設置或控制過程的方式，實現厭氧環境的形成，從而以硝化反硝化作用起到脫氮的作用。而隨著科技的進步，如今最新研究卻發現厭氧反應器存在廢水氨氮含量指標減少問題，好氧條件下出現同時硝化反硝化作用等，這些現象都是傳統生物脫氮理論無法解釋的現象。從微環境角度分析，微生物絮體表層溶解氧濃度高，其傳遞受阻，加上微生物消耗溶解氧，導致微生物絮體內形成厭氧環境和兼氧環境，隨后由于攪動使微環境出現變換，最終進入微生物厭氧、兼氧、好氧等不斷交替，產生硝化反硝化作用。另外，異氧硝化菌和好氧反硝化菌可以在不用厭氧、兼氧、好氧等不斷交替下，單純在厭氧條件下發生硝化作用。根據相關研究可知，在亞硝化菌作用下可以實現將氨轉化為氮。
生物除磷由聚磷菌完成，是指利用在厭氧環境下，聚磷菌會釋放磷，聚磷菌把細胞內聚磷水解為正酸鹽，并從中獲得能量，吸收污水中易降解的化學需氧量。而在有氧環境下，其則會攝取磷，即在好氧或缺氧條件下，聚磷菌以分子氧或化合態氧作為電子受體，氧化代謝內貯物質PHB或PHV等，過量地從無水中攝取磷酸鹽，其中一部分轉化為聚磷，作為能量貯于胞內，并進行富磷污泥的排除，從而起到除磷的作用。通過研究可知，進行廢水生物除磷，聚磷菌必須先在厭氧條件下進行釋放磷，隨后才能夠在有氧條件下提取磷，最后達到除磷的效果。其中在厭氧環境下，聚磷菌釋放磷水平不會對最終的除磷效果產生大的影響，其主要與有機物類型和硝酸根離子含量有關。
隨著相關研究人員加強對生物除磷的研究，可以認為在缺氧環境下將硝酸根離子作為電子受體內的聚羥基脂肪酸酯并進行磷的攝取，從而達到反硝化和加大攝取磷的目的。雖然該種工藝的研究還不夠完善，其將會在未來逐漸得到全新的開發，從而降低化學需氧量，有效提高除磷效果。