污水生物学处理具体来说是通过微生物所产生的酶，氧化分解有机物，从而使水得到净化。其中起主要作用的是细菌，污水中可溶性的有机物直接被菌体吸收;固体和胶体等不溶性有机物先附着在菌体外，由菌细胞分泌的胞外酶分解成可溶性物质，再被菌体吸收，通过微生物体内的氧化、还原、分解、合成等生化作用，把一部分有机物转化成微生物自身组成物质，另一部分有机物被氧化分解为CO22、H2O等简单的无机物，从而使污染物质得到降解。主要有以下几种方法。

氧化塘是一个大而浅的池塘，污水从一端流入，从另一端溢流出水。在氧化塘中，同时存在着三种生化作用：(1)有机物的好氧分解，主要由好气细菌进行;(2)有机物的厌氧分解，主要由厌氧细菌进行;(3)光合作用，由藻类和水生植物进行。好气细菌所需的氧气，除了来自大气以外，还有相当一部分是由藻类光合作用释放的。细菌代谢过程中除合成自身的物质以外，还产生CO2、H2O和无机盐类，这些产物被藻类所利用。藻类细胞既能被细菌所分解，又能被原生动物吞食，使藻类不至过多积累。氧化塘的底部处于厌氧环境，过多的无机氮通过细菌的反硝化作用以氮气的形式逸去，避免了水体的富营养化。由此，氧化塘实际上是一个藻菌共生的生态系统，它常利用天然水域，具有设备简单、投资少、容易操作等优点。缺点是占地面积大。

污水进入曝气池后，用机械或人工的方法连续鼓入空气，经过一段时间，水中形成一些褐色絮状泥粒，即所谓活性污泥。其主体部分是一些好气性微生物，对污水中的有机物具有很强的吸附和氧化分解能力，并以有机物为养料不断增殖。活性污泥和污水的混合液离开曝气池以后，在沉淀池中沉淀，分离出来的水即为净化的水，排放出去。活性污泥除因增殖需排放出一部分多余的以外，其余的回流到曝气池，如此循环运行。活性污泥法的净化效率很高，它对生活污水中有机物和悬浮物的去除率均达95%左右。但所产生的污泥量较大，有待进一步处理，运行中还容易出现污泥膨胀现象。

生物滤池包括酒滴池、塔式生物滤池、生物转盘、接触氧化、浸没法滤池等多种形式。它们处理污水的基本原理相同，池中装上碎石、炉渣、圆盘或塑料蜂窝等固体填料，当污水连续通过时，由于微生物的大量繁殖，在填料的表面形成一层滑腻的暗色薄膜，叫做生物膜。在生物膜这个小环境中，表层是好气性微生物，内层是厌气性微生物，中层则生长着大量的兼性厌气菌。生物膜中除细菌外，还有以原生动物为主的动物群落，各种生物间形成食物链，污水中的有机物通过食物链的每个环节，都有一部分通过呼吸作用而转变成CO2，最终能把有机物除去。

厌氧处理法是在缺氧的条件下，利用厌气性微生物分解污水中有机物质的方法，又称厌氧消化。有机物质的厌氧分解，可分为两个阶段。在分解初期，一些微生物把有机物分解成有机酸、醇、CO2、NH3、H2S等，此阶段有机酸大量积累，pH值随即下降，故称为酸性发酵阶段。在分解后期，由于所产生的NH3与酸发生中和作用，pH值逐渐上升，甲烷细菌开始分解有机酸和醇，产物主要是甲烷和CO2。甲烷细菌的大量繁殖，加速了有机酸的分解，pH值迅速上升，此阶段称为碱性发酵阶段。污水生物处理的前三种方法各有优点，但还存在以下问题：

(1)大量的活性污泥和脱落的生物膜形成废渣，如不进一步处理会形成二次污染;

(2)对一些BOD5超过10000毫克/升的污水，如屠宰厂污水等处理效果较差;

(3)消耗大量的动力。用厌氧处理法能有效的解决上述三个问题，同时还能产生生物能源——沼气，因此受到各方面的重视。

污水的生物学处理是目前世界各国在污水处理中应用最广的一种方法，从发展趋势上看，正由单纯的防治转向综合利用。例如利用污泥的厌氧消化获得沼气和肥料，利用光合细菌处理高浓度有机污水回收单细胞蛋白等，并进一步探索回收能源和解决含无机盐废水的处理方法，防止有机物经微生物分解成无机盐类而使水体富营养化，尽可能实现物质和能量的再循环。