污泥好氧消化的基本原理是使微生物處于內源呼吸階段，以自身生物體作為代謝底物來獲得能量和進行再合成，實際上是活性污泥法的繼續。好氧氧化分解過程是一個放熱反應，因此在工藝運行中會產生并釋放出熱量。由于代謝過程存在物質和能量的散失，細胞物質被分解的量遠大于合成的量，通過強化這一過程達到污泥減量化的目的。在理論上，盡管厭氧消化反應已經終止，僅有75%～80%的細胞組織發生氧化，剩余的20%～25%的細胞組織包括不可生物降解有機物和惰性物質。經過消化反應以后，剩余產物的能量水平極低，因此在生物學上相對穩定，適用于污泥各種最終處置途徑。

污泥的好氧消化過程包括如下2個步驟：a.可生物降解有機物氧化合成為細胞物質；b.細胞物質的進一步氧化。其過程可用式（1）和式（2）表示為：

隨著有機物氧化的繼續，底物供應受到限制，微生物進入衰亡期，好氧速率也隨之下降。當供應的底物耗盡時，將迫使微生物依靠內部貯存的能源，于是微生物進入內源代謝和內源呼吸階段。如式（1）所示，液相有機物通過氧化生成細胞物質。如式（2）所示，是一個典型的內源呼吸過程，細胞物質進一步消化氧化成穩定化生物固體，是好氧消化系統的主要反應。

好氧消化過程需要將反應維持在內源呼吸階段，因此此工藝適用于剩余污泥的穩定。由于初沉池污泥中含有少量的細胞物質，因此混合污泥的處理將會包括反應（1）的轉化過程，初沉池污泥中的顆粒物質和有機物是活性污泥中微生物的食物來源，導致曝氣池中具有較高的底物與微生物量，因此需要較長的停留時間以進行細胞代謝和生長反應，之后再進入內源呼吸階段。

若以C5H7NO2代表微生物細胞物質，好氧消化過程的化學計量學可由式（3）和式（4）表示：

如式（3）所示，這種情形存在于高溫好氧消化過程，硝化系統設計為抑制硝化的工藝形式，氮以氨態存在。如式（4）所示為硝化反應的消化工藝系統設計，其中氮以硝態氮的形式存在。

理論上講，由于硝化反應而消耗的堿度可由反硝化補充約50%，若pH值下降明顯，可以投加石灰或者通過間歇反硝化的方式來控制。

如式（4）所示，在好氧消化過程中，硝化反應會產生H ，若污泥的緩沖能力相對不足，pH值則會降低。根據式（3）和式（4），在理論上，在非硝化系統中，每1kg的微生物活細胞需要消耗1.5kg的氧氣，而在硝化系統中，每1kg的微生物活細胞需要2kg的氧氣，在實際運行中的需氧量還受如初沉池污泥的加入、操作溫度、SRT等其他因素的影響。

對二沉污泥來說，其好氧消化過程中底質與微生物之比相當低，并很少發生細胞合成。主要的反應是氧化作用和使細胞組分破壞的細胞溶解和自身氧化呼吸。微生物的細胞壁由多糖類物質組成，具有相當大的耐分解能力，使好氧消化法排出物中仍有揮發性懸浮固體存在，而這一殘留揮發部分是很穩定的，對此后的污泥處理或土壤處置，不會產生影響。

一般情況下，常溫消化系統（溫度在20～30℃）在以空氣作為氧源的條件下運行，其中決定消化系統設計的因素包括VSS設計去除率、操作溫度、進泥的質和量、氧傳質和混合要求、運行方式、池體積、停留時間等，甚至要對病原菌滅活以及蚊蠅孳生進行考慮。

污泥好氧消化過程，微生物處于內源呼吸階段，反應速率與生物量遵循一級反應模式。目前，最常用的模型是Adams等建議采用的模型。該模型假定如式（5）所示：

式中，X0為進水中VSS濃度，kg/m3；X為在時間t時的VSS的濃度，kg/m3；kd為反應常數。

由于好氧消化池采用連續攪拌，污泥池內完全混合，因此池內揮發性固體的去除量（穩態）是在單位時間內，進入池內的揮發性固體減去出池的揮發性固體的差值。即：