Xử lý sinh học dựa vào sự sống và hoạt động của các vi sinh để oxy hóa chất bẩn hữu cơ ở dạng keo và hòa tan có trong nước thải. Công trình xử lý sinh học được phân thành 2 nhóm:
- Công trình xử lý thực hiện trong điều kiện tự nhiên: cánh đồng tưới, cánh đồng lọc, bãi lọc, hồ sinh học, … Quá trình xử lý trong điều kiện tự nhiên thường diễn ra chậm, chủ yếu dựa vào nguồn oxy và vi sinh có trong đất và nước.
- Công trình xử lý thực hiện trong điều kiện nhân tạo: bể lọc sinh học, bể bùn hoạt tính, bể UASB, … Do các điều kiện được tạo ra như oxy, nhiệt độ, vi sinh vật, … mà quá trình xử lý diễn ra nhanh hơn, với cường độ mạnh hơn.
Quá trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo có thể xử lý giảm đến 90 – 95%. Giai đoạn xử lý sinh học thường sau xử lý cơ học. Bể lắng sau giai đoạn xử lý sinh học hoặc là bể lắng đợt II. Trong trường hợp dùng bể aeroten, một phần bùn từ bể lắng đợt II thường được hồi lưu lại vào bể aeroten để bổ sung lượng vi sinh từ bùn, tăng cường khả năng xử lý của bể.
Quá trình xử lý sinh học không loại trừ được các vi trùng, đặc biệt là các vi khuẩn gây bệnh nên thường sau quá trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo cần thực hiện giai đoạn khử trùng trước khi xả vào nguồn nhận.
Trong quá trình xử lý nước thải dù sử dụng bất cứ phương pháp nào cũng tạo ra một lượng cặn đáng kể (khoảng bằng 0,5 – 1% tổng lưu lượng nước thải). Các chất lơ lửng không hòa tan ở bể lắng đợt I (trong khối xử lý cơ học) gọi là cặn tươi; cặn giữ lại ở bể lắng II gọi là màng vi sinh. Các cặn trên đều có mùi hôi thối rất khó chịu (nhất là cặn tươi) và nguy hiểm về mặt vệ sinh. Do vậy, sau khi xử lý nước thải, nhất thiết phải xử lý cặn thích đáng. Để giảm hàm lượng chất hữu cơ (CHC) trong cặn và đạt được các chỉ tiêu vệ sinh thường áp dụng phương pháp xử lý sinh học kỵ khí trong các công trình tự hoại, bể lắng 2 vỏ, bể metan.
Bể tự hoại và bể lắng 2 vỏ thực hiện đồng thời 2 nhiệm vụ: lắng cặn và lên men cặn lắng. Bể metan là công trình tương đối hiện đại chỉ ứng dụng để len men cặn lắng. Đôi khi bể này cũng được sử dụng để xử lý sơ bộ NTCN có nồng độ ô
nhiễm CHC cao. Để giảm độ ẩm của cặn đã lên men người ta thường sử dụng các công trình: hố bùn (đối với trạm xử lý nhỏ), sân phơi bùn, thiết bị sấy khô bằng cơ học, … Khi lượng cặn khá lớn có thể dùng phương pháp sấy nhiệt.