Phương pháp sinh học được sử dụng để làm sạch nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất khỏi nhiều chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như H2S, các sunfit, amoniac, nitơ…
Các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải dưới tác dụng của các vi sinh vật sẽ bị phân hủy. Đồng thời, các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Kết quả là làm sạch nước thải khỏi các chất bẩn hữu cơ.
Để có thể xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, nước thải cần không chứa các chất độc và tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không vượt quá nồng độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD 0,5.
Nhìn chung, có thể phân loại phương pháp sinh học ra làm 2 loại:
Xử lý bằng phương pháp hiếu khí [1]
Quá trình dựa trên sự oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải nhờ oxi tự do hòa tan. Nếu oxy được cấp bằng thiết bị hoặc nhờ cấu tạo công trình, thì đó là quá trình xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo. Ngược lại, nếu oxy được vận chuyển và hòa tan trong nước nhờ các yếu tố tự nhiên thì đó là quá trình xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện tự nhiên. Các công trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo thường được dựa trên nguyên tắc hoạt động của bùn hoạt tính (bể aeroten trộn, kênh oxy hóa tuần hoàn) hoặc màng sinh vật (bể lọc sinh học, đĩa sinh học). Xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện tự nhiên thường được tiến hành trong hồ (hồ sinh học oxy hóa, hồ sinh học ổn định) hoặc trong đất ngập nước (các loại bãi lọc, đầm lầy nhân tạo).
Xử lý bằng phương pháp kỵ khí [1]
Quá trình dựa trên cơ sở phân hủy các chất hữu cơ giữ lại trong công trình nhờ sự lên men kỵ khí. Đối với các hệ thống thoát nước quy mô vừa và nhỏ người ta thường dùng các công trình kết hợp giữa việc tách cặn lắng (làm trong nước) với phân hủy yếm khí các chất hữu cơ trong pha rắn và pha lỏng. Các công trình được ứng dụng rộng rãi là các bể tự hoại, giếng thấm, bể lắng hai vỏ (bể lắng Imhoff), bể lắng trong kết hợp với ngăn lên men, bể lọc ngược qua tầng cặn kỵ khí (UASB).