废水生物处理过程可归纳为四个连续进行的阶段，即絮凝作用（在生物膜法中称做挂膜）、吸附作用、氧化作用和沉淀作用。

在废水生物处理中，细菌常以絮凝体形式存在。废水进入生物反应池胡，废水中的产荚膜细菌可分泌出粘液性物质，并互相粘连成菌胶团。菌胶团又粘连在一起，絮凝成活性污泥或粘附在载体上形成生物膜。据资料介绍，纤毛类原生动物也可分泌出多糖及粘蛋白，可促进絮凝体的形成。所以，活性污泥或生物膜是微生物群体（包括细菌、真菌、放线菌、原生动物等）存在的形式，并在废水生物处理中具有重大的生态学意义。

吸附作用是发生在微笑粒子表面的一种物理化学的作用过程。微生物个体很小，并且细菌也有具有胶体粒子所具有的很多特性，如细菌表面一般带有负电荷，而废水中有机物颗粒常带正电荷，所以他们之间有很大的吸引作用。活性污泥的表面积介于2000-10000㎡/m³，其表面附有粘性物质对废水中的有机颗粒、胶体物质有较强吸附能力，而对于溶解性有机物的吸附能力很小。对于悬浮固体和胶体含量较高的废水，吸附作用可使废水中的有机物含量减少70%-80%左右。

吸附作用是一种物理化学作用，所以它的总吸附量有一个极限，达到此极限后，吸附作用基本结束。吸附的速度在初期最大，随着时间的推移，吸附速度越来越小。根据活性污泥法的运行经验，在充分曝气的条件下，大约经过20-40d即可完成这个吸附过程。从废水处理的角度看，颗粒的和胶体的有机污染物一旦粘附于活性污泥，即可通过固液分离的方法，将这些污染物从废水中清除出去。

氧化作用是发生在微生物体内的一种生物化学的代谢过程。被活性污泥和生物膜吸附的大分子有机物，在微生物胞外酶的作用下，水解为可溶性的有机小分子物质，然后透过细胞膜进入微生物细胞内。这些被吸收到细胞内的物质，作为微生物的营养物质，经过一系列生化反应途径，被氧化为无机物CO2和H2O等，并释放出能量；与此同时，微生物利用氧化过程中产生的一些中间产物和呼吸作用释放的能量，合成细胞物质。在此过程中微生物不断繁殖，有机物也就不断地被氧化分解。

微生物对吸附发有机物氧化分解需要较长时间，有的需要几小时甚至十几小时才能完成。在微生物吸附有机物的同时，尽管氧化分解作用以相当高的速率进行着，但由于吸附时间短，氧化分解掉的有机物仅占总吸附量的一小部分，大部分被吸附的有机物需要更长时间才能全部氧化分解。

废水中有机物质在活性污泥或生物膜的氧化分解下无机化后，处理后水往往排至自然水体中，这就要求排放前必须经过泥水分离。

活性污泥，特别是生物膜具有良好的沉降性能，使泥水分离，澄清水排走，污泥沉降至池底，这是废水生化处理必须经过的步骤，这也是非常重要的步骤。若活性污泥或脱落的生物膜不能与水分离，则这两种生物处理技术就不能实现。若泥水不经分离或分离效果不好，由于活性污泥本身就是有机体，进入自然水体后将造成二次污染。