人们从自然界的水体自净过程中受到启发，认识到经过微生物、特别是细菌的作用，使水体中的污染物得到降解，然后通过水生生态系统中的食物链，有时细菌受到限制，进而使水达到净化。所以，废水中的生物处理实际上是水体的生物自净原理在水污染治理中的应用，也可以说是模拟天然水体自净作用的一种生物工程。
利用这一原理来净化污水，所要投加的人力、物力比其他方法要少得多。在废水生物处理的人工生态系统中，物质的迁移转化效率之高是任何天然的或农业生态系统所不能比拟的。例如，一个普通的活性污泥厂，每天每平米曝气池能转换1~2kg干有机物，他比一个高产的森林中所发生的矿化作用效率要高好几百倍，该森林要达到同样的数量，需要一年时间。所以废水生物处理工厂是一个效率极高的集中进行矿化作用的场所。
与天然水体自净过程类似，在废水生物处理系统中，同样主要是通过微生物代谢产生的酶，来降解、转化有机物，将有机物最终转化为无害的二氧化碳和水，从而使废水得到净化。目前最常用的生物处理方法是活性污泥法赫和生物膜法。因此，以这两种处理方法中微生物的作用为例，来说明废水生物处理的作用机理。
2.1.活性污泥的定义和特性
2.1.1.活性污泥的定义
生物处理中的活性污泥，就是由细菌、原生动物、等微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的具有吸附分解有机物能力的絮状体。也可以说，活性污泥就是具有很强的吸附分解有机物能力的、充满微生物的污泥。生物膜则是附着在填料上呈薄膜状的活性污泥。
2.1.2.活性污泥的定义
活性污泥的絮体颗粒大小约为0.02~0.2mm，表面积为20~100cm2/ml，密度约为1.002~1.006。活性污泥与生物膜之所以能在净化污水中起重要作用，是因为他们具有以下特性：
1） 具有很强的吸附能力
当废水与活性污泥一接触，首先发生的就是活性污泥对废水中污染物质的吸附作用。据研究，生活铅、镍、锌等金属离子，大约30%～90%能被活性污泥通过吸附去除。
2） 具有很强的分解、氧化有机物的能力
被活性污泥吸附的大分子有机物质，在微生物细胞分泌的胞外酶作用下，变成小分子有机物，然后透过细胞膜进入微生物细胞，这些被吸收的营养物质，再由胞内酶的作用，经过一系列生化途径而氧化为无机物并放出能量，这就是微生物的异化作用；与此同时，微生物又利用呼吸作用释放的能量，把氧化过程的一些中间产物转变为细胞物质，这就是微生物的同化作用。在此过程中，微生物不断繁殖，有机物不断地被氧化分解。
当活性污泥对有机物的吸附达到饱和后，通过微生物对有机物的氧化分解，除去了活性污泥所吸附和吸收的大量有机物，是污泥又重新呈现活性，恢复了它的吸附能力。
3）具有较长的食物链
在活性污泥和生物膜中，一般都能看到存在着“有机物→细菌→原生动物→微型后生动物”这样的食物链。因为有机物虽然能通过细菌等腐生营养性的微生物的作用而去除，但仅有他们的作用还难以达到处理的目标。也就是说，要达到处理目标，原生动物等动物性营养的生物对细菌的捕食作用是必不可少的。[page]
食物链越长，作为能量消耗的比例就越大，在这样的系统中存在的生物量相应的就比较少。据测定推算，有细菌得到的原生动物收率约为0.5%，由细菌得到的原生动物收率约在0.5，由细菌得到的微型后生动物收率约为0.3。如果微型后生动物捕食原生动物，则产生的生物量更小。所剩余的污泥或脱落污泥的发生量就小，可以减轻生物处理后污泥处理的负担。
4）具有良好的沉降性能
活性污泥具有絮状结构而有良好的沉降性能，使处理水比较容易的与污泥分离，最终达到废水净化的目的。
2.2.废水生物处理方法
废水微生物处理的方法很多，根据不同的原则，可作不同的划我分。若根据起主要作用的微生物的呼吸类型，分为好氧处理、厌氧处理和兼性好氧处理。如果根据微生物存在的状态，可分为悬浮生长系统和固定膜系统。稳定塘是一种藻类-细菌互生系统。对于废水微生物处理方法综合归纳如下：
废水中的有机物质受微生物作用的影响而分解，在有氧情况下进行的分解，叫做好氧分解，是好氧微生物活动的结果；在无氧情况下进行的分解，叫做厌氧分解，是厌氧微生物活动的结果。
工业废水的成分随工业性质的不同而有很大差异，其中可能存在的有机物有蛋白质、碳水化合物。油脂，有机酸，醇类、醛类、酮类、酚类、铵类等化合物，生活污水中的有机物则主要是蛋白质。碳水化合物和脂肪。这些有机物主要是由碳、氢、氧、氮。硫、磷等几种元素构成的，它们好氧分解的最终产物是稳定而无臭的物质，包括二氧化碳、水。硝酸盐。硫酸盐、磷酸盐等。
有机物厌氧分解的最终产物主要是甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢等。由于散发了硫化氢等物质，所以废水会产生臭气，由于硫化氢与铁作用形成硫化铁，所以通过厌氧分解的水呈现黑色。
好氧生物处理是废水生物处理中应用最为广泛的一大类方法。在有氧条件下，有机污染物作为好氧微生物的营养基质而被氧化分解，，使污染物的浓度下降使。由于有机污染物结构和性质的不同，在处理系统中，好氧微生物的优势菌群组成和数量也相应的发生变化。例如，是当含纤维素较多的废水进入反应系统，纤维素分解菌就会大量增殖，当蛋白质大量进入该系统，就会使微生物群落中氨化菌种群占优势。
污水的好氧化过生物群体“聚居”在活性污泥上，活性污泥在反应器——曝气池内呈悬浮状，与污水广泛接触，使污水净化的技术；生物膜法是土壤自净的人工强化，是使微生物群体以膜状附着在某种物体的表面，与污水接触，使污水得以净化的技术。
污水的生物处理技术主要以去除污水中的呈溶解状态和胶体状态的有机污染物。[page]