废水的生化处理就是利用微生物的生命活动过程将废水中的可溶性的有机物及部分不溶性的有机物有效地去除，使水得到净化。

由于废水中存在碳水化合物、脂肪、蛋白质等有机物，这些无生命的有机物是微生物的食料，一部分降解、合成为细胞物质（组合代谢产物），另一部分降解氧化为水份，二氧化碳等（分解代谢产物），在此过程中废水中的有机污染物被微生物降解去除。

微生物除了需要营养，还需要合适的环境因素，如温度、pH值、溶解氧、渗透压等才能生存。如果环境条件不正常，会影响微生物的生命活动，甚至发生变异或死亡。

在废水生物处理中，微生物最适宜的温度范围一般为16-30℃，最高温度在37-43℃，当温度低于10℃时，微生物将不再生长。在适宜的温度范围内，温度每提高10℃，微生物的代谢速率会相应提高，COD的去除率也会提高10%左右；相反，温度每降低10℃，COD的去除率会降低10%，因此在冬季时，COD的生化去除率会明显低于其它季节。

微生物的生命活动、物质代谢与pH值有密切关系。大多数微生物对pH的适应范围在4.5-9，而最适宜的pH值的范围在6.5-7.5。当pH低于6.5时，真菌开始与细菌竞争，pH到4.5时，真菌在生化池内将占完全的优势，其结果是严重影响污泥的沉降结果；当pH超过9时，微生物的代谢速度将受到阻碍。不同的微生物对pH值的适应范围要求是不一样的。在好氧生物处理中，pH可在6.5-8.5之间变化；厌氧生物处理中，微生物以pH的要求比较严格，pH应在6.7-7.4之间。

溶解在水体中的氧被称溶解氧。水体中的生物与好氧微生物，它们所赖以生存的氧气就是溶解氧。不同的微生物对溶解氧的要求是不一样的。好氧微生物需要供给充足的溶解氧，一般来说，溶解氧应维持在3mg/L为宜，最低不应低于2mg/L；兼氧微生物要求溶解氧的范围在0.2-2.0mg/L之间；而厌氧微生物要求溶解氧的范围在0.2mg/L以下。

生化处理根据微生物生长对氧环境的要求的不同，可分为好氧生化处理与缺氧生化处理两大类，缺氧生化处理又可分为兼氧生化处理和厌氧生化处理。在好氧生化处理过程中，好氧微生物必须在大量氧的存在下生长繁殖，并降低废水中的有机物质；而兼氧生化处理过程中，兼氧微生物只需要少量氧即可生长繁殖并对废水中的有机物质进行降解处理，如果水中氧太多，兼氧微生物反而生长不好从而影响它对有机物质的处理效率。兼氧微生物可适应COD浓度较高的废水，进水COD浓度可提高到2000mg/L以上，COD去除率一般在50-80%；而好氧微生物只能适应于COD浓度较低的废水，进水COD浓度一般控制在1000-1500mg/L以下，COD去除率一般在50-80%，兼氧生化处理和好氧生化处理的时间都不太长，一般都在12-24小时。人们利用兼氧生化和好氧生化之间的差别和相同之长，将兼氧生化处理和好氧生化处理组合起来，让COD浓度较高的废水先进行兼氧生化处理，再让兼氧池的处理出水作为好氧池的进水，这样的组合处理可以减少生化池的容积，既节省了环保投资又减少了日常的运行费用。厌氧生化处理与兼氧生化处理的原理和作用是一样的。厌氧生化处理与兼氧生化处理的不同之处是：厌氧微生物繁殖生长及其对有机物质降解处理的过程中不需要任何氧，而且厌氧微生物可适应更高COD浓度的废水（4000-10000mg/L）。厌氧生化处理的缺点是生化处理时间很长，废水在厌氧生化池内的停留时间一般需要40小时以上。

生物处理在废水处理工程上应用得最广泛最实用的技术有二大类：一类叫做活性污泥法，另一类叫做生物膜法。活性污泥法是以悬浮状生物群体的生化代谢作用进行好氧的废水处理形式。微生物在生长繁殖过程中可以形成表面积较大的菌胶团，它可以大量絮凝和吸附废水的悬浮的胶体状或溶解的污染物，并将这些物质吸收入细胞体内，在氧的参与下，将这些物质完全氧化放出能量、CO2和H2O。活性污泥法的污泥浓度一般在4g/L。而在生物膜法中，微生物附着在填料的表面，形成胶质相连的生物膜。生物膜一般呈蓬松的絮状结构，微孔较多，表面积很大，具有很强的吸附作用，有利于微生物进一步对这些被吸附的有机物分解和利用。在处理过程中，水的流动和空气的搅动使生物膜表面和水不断接触，废水中的有机污染物和溶解氧为生物膜所吸附，生物膜上的微生物不断分解这些有机物质，在氧化分解有机物质的同时，生物膜本身也不断新陈代谢，衰老的生物膜脱落下来被处理出水从生物处理设施中带出并在沉淀池中与水分离。生物膜法的污泥浓度一般在6-8g/L。为了提高污泥浓度，进而提高处理效率，可以将活性污泥法与生物膜法结合起来，即在活性污泥池中添加填料，这种既有挂膜的微生物又有悬浮微生物的生物反应器称为复合式生物反应器，它具有很高的污泥浓度，一般在14g/L左右。