Đây là phơng pháp sử dụng phổ biến nhất để làm sạch nớc thải, dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dỡng hoại sinh có trong nớc thải. Quá trình hoạt động của chúng làm cho các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn đợc khoáng hóa trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nớc. Vi sinh vật trong nớc thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dỡng và tạo ra năng lợng. Quá trình dinh dỡng làm cho chúng sinh sản, phát triển tăng số lợng tế bào, đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hòa tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ.
Các quá trình sinh học chủ yếu dùng trong xử lý nớc thải:
Quá trình sinh học tùy tiện: là quá trình xử lý sinh học trong đó quần thể sinh vật có thể hoạt động trong điều kiện có oxi hoặc không có oxi phân tử.
Khử BOD dạng cácbon là quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ có nguồn gốc cacbon trong nớc thải thành tế bào chất của vi sinh vật và sản phẩm cuối cùng ở dạng khí.
Nitrat hóa: là quá trình chuyển hóa amon thành nitrit và nitrit thành nitrat. Khử nitrat: là quá trình chuyển nitrat thành nitơ phân tử ở dạng khí.
Quá trình sinh trởng lơ lửng: vi sinh vật sinh sản và phát triển thành các bông cặn bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong các bể xử lý sinh học.
Quá trình sinh trởng bám dính: trong quá trình xử lý sinh học, các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ phát triển thành màng dính hay gắn kết vào các vật liệu trơ nh đá, xỉ, gỗ, sành sứ...
Bùn hoạt tính: là tập hợp các vi sinh vật có trong nớc thải thành những bông cặn có khả năng hấp thu và phân hủy các chất hữu cơ khi có mặt oxi.
Hồ sinh học: là thuật ngữ chỉ quá trình xử lý xảy ra trong các ao, hồ có chiều sâu và cờng độ xử lý khác nhau.
Bể Aeroten: là công trình xử lý nớc thải có dạng bể đợc thực hiện nhờ bùn hoạt tính và cấp oxi bằng khí nén hoặc làm thoáng, khuấy đảo liên tục.
Ưu điểm lớn của phơng pháp này là rẻ tiền, hiệu quả cao và làm sạch nớc thải một cách triệt để, đảm bảo tiêu chuẩn thải ra môi trờng.