废水中磷的存在形态取决于废水的类型，最常见的是磷酸盐(H₂PO₄^- ，HPO₄^2-，po₄^3-)、聚磷酸盐和有机磷。常规二级生物处理的出水中，90%左右的磷以磷酸盐的形式靠在。

生物除磷主要由一类统称为聚磷菌的微生物完成， 其基本原理包括厌氧放磷和好氧吸磷过程。

在厌氧条件下(既没有溶解氧也没有原子态氧)，聚磷菌体内的ATP 进行水解，放出 H₃PO₄和能量，形成 ADP，同时吸收有机物(主要为来自兼性细菌水解产物或原污水的低分子脂肪酸)，并合成聚β-羟基丁酸盐(PHB)贮于细胞内，此过程即为厌氧放磷过程(废水中磷增加)。

在好氧条件下，聚磷菌进行有氧呼吸，将积贮在细胞内的PHB好氧分解，并利用该反应产生的能量，在透膜酶的催化作用下，过量地、超出其生理需要地从水中摄取磷，所摄人的磷一部分用于合成ATP;另一部分成聚酸盐贮藏在菌体内，形成高磷污泥，此过程即为好氧吸磷过程，这种现象被称为“磷的过量摄取”。

由于好氧吸磷量大于厌氧放磷量，将高磷污泥通过剩余污泥排出系统外，即可达到除磷目的，值得一提的是，在厌氧条件下放磷越多，合成的PHB多，在好氧条件下合成的聚磷酸盐量也越多，除磷的效果就越好。