Tr−ớc khi đi vào các biện pháp xử lý n−ớc thải, một hiện t−ợng rất đ−ợc quan tâm trong tự nhiên đó là quá trình tự làm sạch nguồn n−ớc thải do các yếu tố sinh học, mà trong đó vi sinh vật đóng vai trò chủ chốt.
Các ao hồ, sông, ngòi, biển luôn trong tình trạng bẩn với mức độ khác nhau do rác thải và n−ớc thải của con ng−ời. Nhờ quá trình tự làm sạch mà các chất bẩn th−ờng xuyên đ−ợc loại ra khỏi môi tr−ờng n−ớc.
Quá trình tự làm sạch n−ớc thải nhờ các quá trình vật lý hóa học là sự sa lắng và oxy hóa giữ một vai trò quan trọng, song đóng vai trò quyết định vẫn là quá trình sinh học. Tham gia vào quá trình tự làm sạch có rất nhiều chủng, giống sinh vật, từ các loại cá, chim, đến các nguyên sinh động vật và vi sinh vật.
Tại chỗ n−ớc thải đổ ra th−ờng tụ tập nhiều loại chim, cá, chúng sử dụng các phế thải từ đồ ăn và rác làm thức ăn; tiếp sau đó là các động vật bậc thấp nh− ấu trùng của côn trùng, giun và nguyên sinh động vật, chúng sử dụng các hạt thức ăn cực nhỏ làm nguồn dinh d−ỡng. Song vai trò của vi khuẩn và nấm men có tính quyết định quá trình tự làm sạch này, chúng đã phân huỷ chuyển hóa các chất hữu cơ thành các chất đơn giản hơn và cuối cùng là các muối vô cơ, CO2. Nói cách khác là trong điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật, chúng có khả năng khoáng hóa một cách hoàn toàn nhiều chất bẩn hữu cơ để làm sạch n−ớc.
Bên cạch vi khuẩn, nấm men còn có nấm mốc và tảo đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa các chất bẩn gây ô nhiễm môi tr−ờng khác. Trong n−ớc thải, thông qua hoạt động sống của mình tảo cung cấp oxygen cho môi tr−ờng, ngoài ra còn tiết vào môi tr−ờng chất kháng sinh là vũ khí lợi hại để tiêu diệt mầm bệnh có trong n−ớc thải, nhất là khu hệ vi sinh vật gây bệnh đ−ờng ruột. Tảo còn gây cản trở sự phát triển của một số vi sinh vật gây bệnh khác, cạnh tranh nguồn dinh d−ỡng của chúng; tảo còn tiết ra một số chất kích thích cho sự phát triển của vi sinh vật hữu ích trong môi tr−ờng n−ớc thải. Trong n−ớc thải, vai trò rất to lớn của tảo còn là ở khả năng hấp thụ các kim loại nặng nh−: Pb, Cd, As, Cu... và các tia phóng xạ.
Thông th−ờng protein, đ−ờng, tinh bột, đ−ợc phân giải nhanh nhất, còn xenluloza, lignin, mỡ, sáp bị phân giải chậm hơn nhiều và sự phân giải xảy ra không hoàn toàn, vì vậy hệ vi sinh vật cũng thay đổi theo quá trình phân giải và thành phần các hợp chất chứa trong n−ớc thải đó để làm sạch môi tr−ờng n−ớc.
C−ờng độ tự làm sạch n−ớc thải còn phụ thuộc vào một số yếu tố sau:
+ C−ờng độ làm sạch th−ờng cao ở những nơi có dòng chảy mạnh do có sự trao đổi khí giữa n−ớc và môi tr−ờng không khí xảy ra mạnh. Khi đó mặt n−ớc có oxygen mạnh. Ng−ợc lại ở
những thuỷ vực thiếu sự chuyển động của n−ớc nh− ao tù thì n−ớc thải bị ứ đọng, thiếu oxygen, sự phân giải các chất bẩn kém. Quá trình tự làm sạch bị cản trở.
+ C−ờng độ tự làm sạch n−ớc thải cũng thay đổi theo mùa: mùa hè c−ờng độ xảy ra mạnh hơn vào mùa đông, ánh sáng chiếu nhiều thì c−ờng độ tự làm sạch xảy ra mạnh hơn là ít có ánh sáng.
+ C−ờng độ tự làm sạch n−ớc thải ở vùng nhiệt đới xảy ra mạnh hơn ở vùng ôn đới, vùng hàn đới.