汙水生物學處理具體來說是通過微生物所產生的酶，氧化分解有機物，從而使水得到凈化。其中起主要作用的是細菌，汙水中可溶性的有機物直接被菌體吸收;固體和膠體等不溶性有機物先附著在菌體外，由菌細胞分泌的胞外酶分解成可溶性物質，再被菌體吸收，通過微生物體內的氧化、還原、分解、合成等生化作用，把一部分有機物轉化成微生物自身組成物質，另一部分有機物被氧化分解為CO22、H2O等簡單的無機物，從而使汙染物質得到降解。主要有以下幾種方法。

氧化塘是一個大而淺的池塘，汙水從一端流入，從另一端溢流出水。在氧化塘中，同時存在著三種生化作用：(1)有機物的好氧分解，主要由好氣細菌進行;(2)有機物的厭氧分解，主要由厭氧細菌進行;(3)光合作用，由藻類和水生植物進行。好氣細菌所需的氧氣，除了來自大氣以外，還有相當一部分是由藻類光合作用釋放的。細菌代謝過程中除合成自身的物質以外，還產生CO2、H2O和無機鹽類，這些產物被藻類所利用。藻類細胞既能被細菌所分解，又能被原生動物吞食，使藻類不至過多積累。氧化塘的底部處於厭氧環境，過多的無機氮通過細菌的反硝化作用以氮氣的形式逸去，避免了水體的富營養化。由此，氧化塘實際上是一個藻菌共生的生態系統，它常利用天然水域，具有設備簡單、投資少、容易操作等優點。缺點是占地面積大。

汙水進入曝氣池後，用機械或人工的方法連續鼓入空氣，經過一段時間，水中形成一些褐色絮狀泥粒，即所謂活性汙泥。其主體部分是一些好氣性微生物，對汙水中的有機物具有很強的吸附和氧化分解能力，並以有機物為養料不斷增殖。活性汙泥和汙水的混合液離開曝氣池以後，在沈澱池中沈澱，分離出來的水即為凈化的水，排放出去。活性汙泥除因增殖需排放出一部分多余的以外，其余的回流到曝氣池，如此循環運行。活性汙泥法的凈化效率很高，它對生活汙水中有機物和懸浮物的去除率均達95%左右。但所產生的汙泥量較大，有待進一步處理，運行中還容易出現汙泥膨脹現象。

生物濾池包括酒滴池、塔式生物濾池、生物轉盤、接觸氧化、浸沒法濾池等多種形式。它們處理汙水的基本原理相同，池中裝上碎石、爐渣、圓盤或塑料蜂窩等固體填料，當汙水連續通過時，由於微生物的大量繁殖，在填料的表面形成一層滑膩的暗色薄膜，叫做生物膜。在生物膜這個小環境中，表層是好氣性微生物，內層是厭氣性微生物，中層則生長著大量的兼性厭氣菌。生物膜中除細菌外，還有以原生動物為主的動物群落，各種生物間形成食物鏈，汙水中的有機物通過食物鏈的每個環節，都有一部分通過呼吸作用而轉變成CO2，最終能把有機物除去。

厭氧處理法是在缺氧的條件下，利用厭氣性微生物分解汙水中有機物質的方法，又稱厭氧消化。有機物質的厭氧分解，可分為兩個階段。在分解初期，一些微生物把有機物分解成有機酸、醇、CO2、NH3、H2S等，此階段有機酸大量積累，pH值隨即下降，故稱為酸性發酵階段。在分解後期，由於所產生的NH3與酸發生中和作用，pH值逐漸上升，甲烷細菌開始分解有機酸和醇，產物主要是甲烷和CO2。甲烷細菌的大量繁殖，加速了有機酸的分解，pH值迅速上升，此階段稱為堿性發酵階段。汙水生物處理的前三種方法各有優點，但還存在以下問題：

(1)大量的活性汙泥和脫落的生物膜形成廢渣，如不進一步處理會形成二次汙染;

(2)對一些BOD5超過10000毫克/升的汙水，如屠宰廠汙水等處理效果較差;

(3)消耗大量的動力。用厭氧處理法能有效的解決上述三個問題，同時還能產生生物能源——沼氣，因此受到各方面的重視。

汙水的生物學處理是目前世界各國在汙水處理中應用最廣的一種方法，從發展趨勢上看，正由單純的防治轉向綜合利用。例如利用汙泥的厭氧消化獲得沼氣和肥料，利用光合細菌處理高濃度有機汙水回收單細胞蛋白等，並進一步探索回收能源和解決含無機鹽廢水的處理方法，防止有機物經微生物分解成無機鹽類而使水體富營養化，盡可能實現物質和能量的再循環。