一体化污水处理设备通常集多种处理工艺于一体，其运行过程主要包括以下几个环节：
进水预处理：污水首先进入设备的预处理单元，通常会经过格栅，拦截并去除污水中较大的固体杂物，如树枝、塑料瓶等，防止这些杂物堵塞后续设备。有些设备还可能设有沉砂池，通过重力作用使污水中的砂粒等无机颗粒沉淀下来，减轻后续处理单元的负荷。
生物处理：这是一体化污水处理设备的核心环节。常见的生物处理工艺有活性污泥法、生物膜法等。
活性污泥法：污水与回流的活性污泥在曝气池中充分混合，曝气系统向池内通入空气，为好氧微生物提供充足的氧气，使微生物能够分解污水中的有机物、氨氮等污染物。微生物在代谢过程中，将有机物转化为二氧化碳和水，同时自身得以生长繁殖，形成具有良好沉降性能的活性污泥。
生物膜法：污水流经附着有生物膜的填料表面，生物膜中的微生物吸附和分解污水中的有机物。生物膜不断生长、更新，老化的生物膜会脱落，随水流进入后续的沉淀单元。
沉淀分离：经过生物处理后的污水进入沉淀池，在重力作用下，活性污泥或生物膜等固体物质沉淀到池底，澄清的水则溢流至后续处理单元。沉淀下来的污泥一部分作为剩余污泥排出设备，一部分则回流至生物处理单元，以维持生物处理系统中微生物的数量。
深度处理：为了进一步提高出水水质，满足更高的排放标准或回用要求，一些一体化污水处理设备还会设置深度处理单元。常见的深度处理工艺包括过滤、消毒等。
出水排放或回用：经过深度处理后的水，达到相应的水质标准后，可以排放到自然水体中，或者根据实际需求进行回用，如用于绿化灌溉、道路喷洒、工业冷却等，实现水资源的循环利用。
污泥处理：设备产生的剩余污泥通常含有大量的有机物、微生物和病原体等，需要进行妥善处理。一般先将污泥进行浓缩，降低其含水率，然后通过厌氧消化、好氧堆肥等方法进行稳定化处理，使污泥中的有机物分解，减少污泥的体积和臭味。处理后的污泥可以用于土地改良、园林绿化等，或者进行卫生填埋。
