Phương pháp này sử dụng khả năng sống, hoạt động của vi sinh vật để phân hủy những chất bẩn hữu cơ trong nước thải. Các sinh vật sử dụng các chất khoáng và hữu cơ để làm dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng chúng nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng sinh sản nên sinh khối tăng lên.
Quá trình sau là quá trình khoáng hóa chất hữu cơ còn lại thành chất vô cơ (sunfit, muối amon, nitrat…), các chất khí đơn giản (CO2, N2,…) và nước. Quá trình này được gọi là quá trình oxy hóa.
Căn cứ vào hoạt động của vi sinh vật có thể chia phương pháp sinh học thành 3 nhóm chính như sau:
a Các phương pháp hiếu khí
Phương pháp hiếu khí dựa trên nguyên tắc là các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện có oxy.
Chất hữu cơ + O2 → H2O + CO2 + NH3 + …
Các phương pháp xử lý hiếu khí thường hay sử dụng: Phương pháp bùn hoạt tính: dựa trên quá trình sinh trưởng lơ lửng của vi sinh vật. Và phương pháp lọc sinh học: dựa trên quá trình sinh trưởng bám dính của vi sinh vật.
b Phương pháp bùn hoạt tính
Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành các bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng trong nước (cặn lắng chiếm khoảng 30 – 40% thành phần cấu tạo bông, nếu thổi khí và khuấy đảo đầy đủ trong thời gian ngắn thì con số này khoảng 30%, thời gian dài khoảng 35%, kéo dài tới vài ngày có thể tới 40%). Các bông này có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước từ 3 – 100μm. Bùn hoạt tính có khả năng hấp phụ (trên bề mặt bùn) và oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải với sự có mặt của oxy.
Quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính bao gồm các bước:
Giai đoạn khuếch tán và chuyển chất từ dịch thể (nước thải) tới bề mặt các tế bào vi sinh vật.
Hấp phụ: khuếch tán và hấp phụ các chất bẩn từ bề mặt ngoài các tế bào qua màng bán thấm.
Quá trình chuyển hóa các chất đã được khuếch tán và hấp phụ ở trong tế bào vi sinh vật sinh ra năng lượng và tổng hợp các chất mới của tế bào.
c Phương pháp lọc sinh học
Là phương pháp dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxy hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Các màng sinh học là các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kỵ khí, tùy nghi. Các vi khuẩn hiếu khí được tập trung ở màng lớp ngoài của màng sinh học. Ở đây chúng phát triển và gắn với giá mang là các vật liệu lọc (được gọi là màng sinh trưởng gắn kết hay sinh trưởng bám dính).
d Các phương pháp kỵ khí
Dựa trên sự chuyển hoá vật chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy nhờ rất nhiều loài vi sinh vật yếm khí tồn tại trong nước thải. Sản phẩm của quá trình là CH4, CO2, N2, H2S, NH3 trong đó CH4 chiếm nhiều nhất.
e Quá trình lên men Metan gồm 3 giai đoạn
- Pha thủy phân: Chuyển các chất hữu cơ phân tử lượng lớn thành hợp chất dễ tan và phân tử lượng nhỏ hơn trong nước.
- Pha chuyển hóa axit: các vi sinh vật tạo thành axit gồm cả vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tùy nghi. Chúng chuyển hóa các sản phẩm phân hủy trung gian thành các axít hữu cơ bậc thấp, cùng các chất hữu cơ khác như axit hữu cơ, axit béo, rượu, axit amin, glyxerin, H2S, CO2, H2.
- Pha kiềm: Các vi sinh vật Metan đích thực mới hoạt động. Chúng là những vi sinh vật kỵ khí bắt buộc, chuyển hóa các sản phẩm của pha axit thành CH4 và CO2. pH trong giai đoạn này sẽ từ từ tăng lên.