Cơ sở để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hoá vật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng có trong tự nhiên nhờ khả năng đồng hoá được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau có trong nước thải.
27
Trong các nguồn nước luôn xảy ra quá trình Amon hoá chất hữu cơ chứa nitơ bởi các vi khuẩn Amôn hoá. Nhờ các men ngoại bào của các vi khuẩn gây thối như loài Pseudomonadales, Eubateriales… mà Protein bị phân huỷ thành các hợp chất
đơn giản hơn là các Polipeptit, Oligopeptit. Các chất này hoặc tiếp tục được phân huỷ thành các Axit amin nhờ men Peptidaza ngoại bào hoặc được tế bào hấp thụ sau đó sẽ được phân huỷ tiếp trong tế bào thành các Axit amin. Các axit amin một phần được vi sinh vật sử dụng để sinh tổng hợp Protein - xây dựng tế bào mới, một phần bị phân giải tiếp theo những con đường khác nhau để tạo NH3 và nhiều sản phẩm trung gian khác.
Với các Protein có chứa S, nhờ tác dụng của men Desunfuraza sẽ bị phân hủy tạo ra H2S. Sản phẩm phân giải bởi vi sinh vật kỵ khí còn cho Scatol, Indol, Mercaptan và một số khí khác. Nhờ sự hoạt động của một số vi khuẩn như
Thiobacillus, Thiobacillus denitrificans, vi khuẩn lưu huỳnh dạng sợi thuộc giống Beggiatoa, Thiothrix và nhiều vi khuẩn dị dưỡng, vi khuẩn hiếu khí khác quá trình
Sunfat hoá được thực hiện. Ngược lại, quá trình khử Sunfat cũng xảy ra bởi các vi khuẩn kỵ khí có trong bùn thối, nước thải thối (đại diện là Desunfovibrio
desunfuricans). Ngoài ra còn thấy loài Clotridium nigrificans và loài Pseudomonas Zelinskii cũng có khả năng khử Sunfat.
Trong điều kiện tự nhiên nhiều loài vi khuẩn như loài Acinetobacter và nấm có khả năng phân giải và giải phóng photpho trong xương động vật ở dạng rắn Ca3(PO4)2 sang dạng hoà tan. Theo con đường thuỷ phân trong điều kiện hiếu khí các vi khuẩn Pseudomonas, Bacillus, Actinomyces và các loài nấm bậc cao chuyển hoá nhanh tinh bột thành đường và các loại đường này một phần bị phân huỷ thành CO2 và nhiều sản phẩm khác nhau, một phần được chuyển hoá trong quá trình trao đổi chất. Trong điều kiện kỵ khí tinh bột bị phân huỷ bởi Clotridium. Trong điều
kiện hiếu khí Cytophaza và Sporocytophaga là loài có khả năng phân huỷ xenluloza mạnh nhất.
Ngoài ra, các loài Pseudomonadales, Vibrio, Myxobacterium, Actinomycetes và
Cellvibrio cũng tham gia phân huỷ xenluloza. Xenluloza bị phân huỷ bởi các men ngoại bào thành các sản phẩm trung gian và đường. Trong bùn lắng quá trình lên
28
men kỵ khí chủ yếu bởi Clotridium phân huỷ xenluloza thành Etanol, Axit focmic, Axit axetic, Axit lactic, H2 và CO2.
Trong tự nhiên còn xảy ra quá trình tự làm sạch nhờ các sinh vật sử dụng các chất bẩn trong nước làm nguồn thức ăn. Về mặt sinh học tham gia vào quá trình tự làm sạch có rất nhiều loài sinh vật như cá, chim, nguyên sinh động vật, nhuyễn thể …và vi sinh vật với mức độ khác nhau nhưng đóng vai trò quyết định vẫn là các vi sinh vật. Ngoài ra còn thấy vai trò làm sạch của các loài tảo. Thông qua hoạt động sống của mình tảo cung cấp oxi cho môi trường và các chất kháng sinh để tiêu diệt các mầm bệnh có trong nước. Một số loài tảo và loài nhuyễn thể 2 mảnh còn có khả năng hấp thụ các kim loại nặng và tia phóng xạ.
Trong nước thải các vi sinh vật luôn có mối quan hệ rất phức tạp với nhau. Quan hệ cạnh tranh đã có ảnh hưởng quyết định đến thành phần vi sinh vật. Quan hệ “mồi thú” đã làm cho số lượng vi sinh vật trong nước thải thay đổi. Ngoài 2 mối quan hệ trên trong hệ vi sinh vật nước thải nhiều loài vi sinh vật đã sống cộng sinh với nhau có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Kết quả của các quan hệ này đã làm ảnh hưởng lớn đến khả năng, tốc độ và hiệu quả phân huỷ chất bẩn của các vi sinh vật.