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 （1）在好氧條件下，利用含碳有機物進行生物繁殖的異養微生物（包括細菌、原生動物和后生動物等）代謝、降解、凈化含碳有機污染物質。

（2）在好氧條件下，將氨氮氧化成亞硝酸鹽后又將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽自養菌（包括氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌），反應過程稱為硝化，細菌通稱為硝化菌。

（3）在缺氧條件下（基本上無溶解氧條件下），硝酸性呼吸或亞硝酸性呼吸的兼性厭氧菌（含異養菌，稱為脫氮菌）進行脫氮。

（4）在厭氧條件下（無溶解氧），與好氧交替作用（反應），積累大量的聚磷酸的細菌（含異養菌，稱聚磷菌），進行厭氧條件下釋放磷和好氧條件下吸收磷，終在厭氧條件下，將磷轉移至污泥中起到除磷作用。

 活性污泥法的運行過程就是創造使上述4類微生物各自發揮佳生理特性的條件，例如控制適宜的生物固體停留時間，使去除含碳有機物的微生物可順利地進行反應，停留時間要既能滿足去除含碳有機污染物，又能滿足硝化菌生長繁殖，易進行氨氮的硝化（氨氮的氧化即硝化過程）。另外已進行硝化的活性污泥混合液（含亞硝酸鹽和硝酸鹽），在有機碳存在的條件下，在好氧狀態下，則脫氮菌能進行脫氮，將氮氣釋放于大氣；在厭氧條件下，具有聚磷菌的生長條件，則予以除磷，使污水得到凈化處理。