不论自然界的水自净作用或是人为的生物净水技术不外乎透过异营性微生物的新陈代谢。液体中的溶解性有机质可透过扩散作用进入细胞中进行分解与合成反应，分别产生氨、水、二氧化碳以及新细胞。若是较小的颗粒必先附着于细胞表面，分解为溶解性有机质后再进入细胞内进行反应，其中氨与二氧化碳可再进入其他自营微生物的利用。新细胞除了可再加入分解有机质的行列外，也会进行内呼吸作用再提供其他细胞使用。很明显的，生物净水单元中充分的混合与提供适当的氧气能够促进有机质的新陈代谢速率，尤其是混合时间关键性地影响了反应是否完整，同时微生物数量的多寡也决定了净化有机质的能力。
除了细胞的本质问题外，有机质的特质亦主宰了生物净水技术的成败。一般而言，有机质的自由颗粒大多为碳水化合物、蛋白质与脂质的组合，透过水解作用转换成溶解性有机质分别或同时进入细胞。然而，碳水化合物与蛋白质常因来源不同可分为易水解与难水解的物质，此时的混合时间则需延长或是事先将难水解物质用物理方法移除，例如沉淀，亦或是添加适当生物制剂促进水解。
其次，当少量脂质出现时，水解作用会将它转换成可溶性有机质提供细胞使用。当水体中含有过量脂质时，大多先经油水分离后，低脂质的液体再进入生物净水单元，不然，大量的脂质会附着于细胞表面阻隔氧气扩散进入细胞内，造成细胞缺氧而死亡。因此若将疏水性的脂质透过物理、化学或生物作用转变为亲水性的有机质分散于水体中，大量的微生物也可对细小颗粒脂质进行水解与分解。
碳水化合物、蛋白质与脂质为有机质的主要成分，若其均匀结合与分散于有机质中便能使动物或微生物消化与吸收利用。相反的，有机质中的碳水化合物、蛋白质与脂质不能均匀的结合在一起而只是混和在一起时，当溶于水时便因为脂质为疏水性且比重小于水，往往因为水体中的脂质没有被适当的处置，长时间的累积则水体表面出现一层脂质。水体中碳水化合物与蛋白质可透过好氧微生物结合曝气将它们转换为二氧化碳、水与氨。但脂质往往无法被微生物所分解，因为它阻碍了水体中溶氧的传送。因此脂质的移除或分散便成为好氧微生物净化水质技术重要的课题。
一般而言，对于高油脂的废水(例如餐厅废水)常采用油水分离单元进行油脂的分离与移除。但对于低油脂的废水，则直接进入高微生物浓度的好氧生物处理单元(例如活性污泥法)，此时的油脂透过搅拌与曝气，油脂可均匀分布于水体中或微生物表面进行消化反应。另一方面，若水体中的微生物浓度不足时，以鱼菜共生为例，由于养殖水体的水质较清澈且残留鱼饵中的脂质常溶于水体中，因为水体中的微生物浓度不足，油脂往往无法被分散与有效的消化。日积月累地水体表面出现脂质层。对于此种低微生物浓度的水体，平时便须添加适当的生物或植物性的界面活性剂来促进水体中的油脂分散(乳化)如此一来，微生物方有可能鱼类吞食与消化油脂为二氧化碳与水。
在自然的水体中，有机氮(Organic N)可经由好氧与厌氧异营性微生物分解为氨氮(NH4+)溶解于水体与底泥中。自营性微生物在有氧(Oxic)的条件下进行硝化反应(Nitrification)，逐步将氨氮(NH4+)转换为亚硝酸盐(NO2-)与硝酸盐(NO3-)。此时的硝酸盐(NO3-)便同时成为藻(Algae)与异营性微生物的重要基质，两者之间形成竞争状态。
若藻的活性高且有足够的光合作用时，大量的硝酸盐(NO3-)为藻所利用；相反的，若藻的活性低且光合作用不充分的时候，由于水体中尚处于有氧(Oxic)状态，大多数的硝酸盐(NO3-)可能沉积至底泥中，此时异营性微生物在无氧(Anoxic)的条件下与底泥中的有机碳(Organic carbon)进行脱硝(Denitrification)反应将亚硝酸盐(NO2-)转换为氮气(N2)。底泥中若有厌氧氨氧化(Anammox)菌存在时，在缺氧的条件下将铵离子(NH4+)与亚硝酸根(NO2-)氧化爲氮气。因此，正常的水体中亚硝酸盐(NO2-)往往是侦测不到的，因为它是自营硝化与异营脱硝的中间产物。
但不幸的是，当环境受到自然与人为破坏的时候，水体中的硝酸盐(NO3-)无法大量为藻所利用，沉积于底泥中的亚硝酸盐(NO2-)又无法妥善的转换为氮气时，此时的亚硝酸盐(NO2-)可能因水体的环境条件改变(例如豪大雨或人为的换水)，使得亚硝酸盐(NO2-)再度从底泥中扩散至水体中。
所以在水体环境受到破坏的时候，有氧水体中常可检测出亚硝酸盐(NO2-)却无硝酸盐(NO3-)的存在。因此对于养殖水体若能有适当的养殖水处理回收再利用，便可维持水体水质的稳定，或是定期对水体投入非好氧型的生物制剂来活化底泥中的脱硝反应。
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