廢水生物處理過程可歸納為四個連續進行的階段，即絮凝作用（在生物膜法中稱做掛膜）、吸附作用、氧化作用和沉淀作用。

在廢水生物處理中，細菌常以絮凝體形式存在。廢水進入生物反應池胡，廢水中的產莢膜細菌可分泌出粘液性物質，并互相粘連成菌膠團。菌膠團又粘連在一起，絮凝成活性污泥或粘附在載體上形成生物膜。據資料介紹，纖毛類原生動物也可分泌出多糖及粘蛋白，可促進絮凝體的形成。所以，活性污泥或生物膜是微生物群體（包括細菌、真菌、放線菌、原生動物等）存在的形式，并在廢水生物處理中具有重大的生態學意義。

吸附作用是發生在微笑粒子表面的一種物理化學的作用過程。微生物個體很小，并且細菌也有具有膠體粒子所具有的很多特性，如細菌表面一般帶有負電荷，而廢水中有機物顆粒常帶正電荷，所以他們之間有很大的吸引作用。活性污泥的表面積介于2000-10000㎡/m³，其表面附有粘性物質對廢水中的有機顆粒、膠體物質有較強吸附能力，而對于溶解性有機物的吸附能力很小。對于懸浮固體和膠體含量較高的廢水，吸附作用可使廢水中的有機物含量減少70%-80%左右。

吸附作用是一種物理化學作用，所以它的總吸附量有一個極限，達到此極限后，吸附作用基本結束。吸附的速度在初期最大，隨著時間的推移，吸附速度越來越小。根據活性污泥法的運行經驗，在充分曝氣的條件下，大約經過20-40d即可完成這個吸附過程。從廢水處理的角度看，顆粒的和膠體的有機污染物一旦粘附于活性污泥，即可通過固液分離的方法，將這些污染物從廢水中清除出去。

氧化作用是發生在微生物體內的一種生物化學的代謝過程。被活性污泥和生物膜吸附的大分子有機物，在微生物胞外酶的作用下，水解為可溶性的有機小分子物質，然后透過細胞膜進入微生物細胞內。這些被吸收到細胞內的物質，作為微生物的營養物質，經過一系列生化反應途徑，被氧化為無機物CO2和H2O等，并釋放出能量；與此同時，微生物利用氧化過程中產生的一些中間產物和呼吸作用釋放的能量，合成細胞物質。在此過程中微生物不斷繁殖，有機物也就不斷地被氧化分解。

微生物對吸附發有機物氧化分解需要較長時間，有的需要幾小時甚至十幾小時才能完成。在微生物吸附有機物的同時，盡管氧化分解作用以相當高的速率進行著，但由于吸附時間短，氧化分解掉的有機物僅占總吸附量的一小部分，大部分被吸附的有機物需要更長時間才能全部氧化分解。

廢水中有機物質在活性污泥或生物膜的氧化分解下無機化后，處理后水往往排至自然水體中，這就要求排放前必須經過泥水分離。

活性污泥，特別是生物膜具有良好的沉降性能，使泥水分離，澄清水排走，污泥沉降至池底，這是廢水生化處理必須經過的步驟，這也是非常重要的步驟。若活性污泥或脫落的生物膜不能與水分離，則這兩種生物處理技術就不能實現。若泥水不經分離或分離效果不好，由于活性污泥本身就是有機體，進入自然水體后將造成二次污染。