L'élimination biologique des nutriments permet d'éliminer l'azote total et le phosphore total dans les eaux usées grâce à l'utilisation de micro-organismes dans différentes conditions environnementales au cours du processus de traitement.
L'azote total des effluents comprend l'ammoniac, les nitrates, l'azote organique particulaire et l'azote organique soluble. Les processus biologiques qui éliminent principalement l'azote sont la nitrification et la dénitrification. Au cours de la nitrification, l'ammoniac est oxydé en nitrite par un groupe de bactéries autotrophes, le plus souvent des Nitrosomonas. Le nitrite est ensuite oxydé en nitrate par un autre groupe de bactéries autotrophes, le plus courant étant Nitrobacter. La dénitrification implique la réduction biologique du nitrate en oxyde nitrique, oxyde nitreux et azote gazeux.
La déphosphatation biologique repose sur l'absorption du phosphore par des hétérotrophes aérobies capables de stocker l'orthophosphate en excès par rapport à leurs besoins de croissance biologique. Le processus de traitement peut être conçu pour favoriser la croissance de ces organismes, connus sous le nom d'organismes accumulateurs de phosphate (OAP), dans le milieu de traitement. Dans des conditions anaérobies, les OAP convertissent les acides gras volatils (AGV)] en composés carbonés appelés polyhydroxyalcanoates. Les OAP utilisent l'énergie générée par la décomposition des molécules de polyphosphate pour créer des polyhydroxyalcanoates. Cette dégradation entraîne la libération de phosphore.
Dans les conditions aérobies ultérieures du processus de traitement, les OAP utilisent les polyhydroxyalcanoates stockés comme énergie pour absorber le phosphore qui a été libéré dans la zone anaérobie, ainsi que tout phosphate supplémentaire présent dans les eaux usées. En plus de réduire la concentration de phosphate, le processus renouvelle le polyphosphate dans les boues de retour afin que le processus puisse être répété. Certains OAP utilisent le nitrate au lieu de l'oxygène libre pour oxyder les polyhydroxyalcanoates stockés et absorber le phosphore. Ces OAP dénitrifiants éliminent le phosphore dans la zone anoxique plutôt que dans la zone aérobie.