非丝状菌膨胀是由于菌胶团细菌本身生理活动异常，导致活性污泥沉降性能恶化。可分为两种。

一种是由于进水中含有大量的溶解性有机物，使污泥负荷F/M太高，而进水中缺乏足够的氮、磷等营养物质，或者混合液内溶解氧不足。高F/M时，细菌会把大量的有机物质吸入体内，而由于缺乏氮、磷或溶解氧不足，又不能在体内进行正常的分解代谢。

此时细菌会向体外分泌出过量的多聚糖类物质。这些物质由于分子式中含很多羟基而具有较强的亲水性。使活性污泥的结合水高达400%（正常污泥结合水为100%左右）以上。

呈粘性的凝胶状，使活性污泥在二沉池内无法进行有效的泥水分离及浓缩。这种污泥膨胀称为粘性膨胀。

另一种非丝状菌膨胀是由于进水中含有大量的有毒物质，导致污泥中毒。使细菌不能分泌出足够的粘性物质，形不成絮体，因此也无法在二沉池进行有效的泥水分离及浓缩。这种污泥膨胀有时又称为非粘性膨胀或离散性膨胀。