一体化污水处理设备基于活性污泥法与生物膜法耦合工艺，依托微生物代谢降解污染物，经固液分离实现水质净化。

设备普遍以 A/O（缺氧 – 好氧）工艺为生化核心，通过分级处理实现协同脱氮：污水先进入缺氧段，兼性微生物完成有机氮氨化与反硝化脱氮，削减后续处理负荷；再进入好氧段，好氧微生物彻底分解有机物，硝化菌将氨氮转化为硝酸盐。部分好氧出水回流至缺氧段形成完整脱氮循环，部分设备前端增设厌氧区，采用改良 AAO 工艺强化除磷效果。

近年 MBR（膜生物反应器）工艺在一体化污水处理设备中应用愈发广泛，其以膜组件替代传统二沉池完成固液分离，污泥浓度更高，出水浊度近零、水质更优，且占地面积更小。