Thực chất của phương pháp này là nhờ hoạt động sống của vi sinh vật (sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng) để biến đổi các hợp chất hữu cơ cao phân tử có trong nước thải thành các hợp chất đơn giản hơn.

Trong nhiều biện pháp xử lý ô nhiễm, biện pháp sinh học được mọi người đặc biệt quan tâm sử dụng. So với các biện pháp vật lý, hoá học, biện pháp sinh học chiếm vai trò quan trọng về quy mô cũng như giá thành đâu tư, do chi phí năng lượng cho một đơn vị khối lượng chất khử là ít nhất. Đặc biệt xử lý bằng biện pháp sinh học sẽ không gây tái ô nhiễm môi trường - một nhược điểm mà biện pháp hoá học hay mắc phải. 

Biện pháp sinh học sử dụng một đặc điểm rất quý của vi sinh vật , đặc điểm đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất là khả năng đồng hoá được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau của vi sinh vật, từ tinh bột, cellulose, cả nguồn dầu mỏ và dẫn xuất của nó đến các hợp chất cao phân tử khác như protein, lipid, cùng các kim loại nặng như chì, thuỷ ngân ... 

Thực chất của phương pháp này là nhờ hoạt động sống của vi sinh vật (sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng) để biến đổi các hợp chất hữu cơ cao phân tử có trong nước thải thành các hợp chất đơn giản hơn. Trong quá trình dinh dưỡng này vi sinh vật sẽ nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản, nên sinh khối được tăng lên.

Biện pháp sinh học để xử lý nước thải có thể làm sạch hoàn toàn các loại nước thải công nghiệp chứa các loại chất bẩn hoà tan hoặc phân tán nhỏ. Do vậy biện pháp này thường dùng sau khi loại bỏ các tạp chất phân tán thô ra khỏi chất thải.

Đối với nước thải chứa các tạp chất vô cơ thì biện pháp này dùng để khử các muối sulfate, muối ammonium, muối nitrate, tức là những chất chưa bị oxy hoá hoàn toàn.

Xử lý sinh học làm sạch nguồn nước cũng là một vấn đề không kém phần quan trọng so với làm sạch không khí, tuy nhiên nó có lịch sử lâu đời hơn nhiều trong việc áp dụng vào thực tiễn. 

Theo quan điểm của giải pháp kỹ thuật, nó cần vốn đầu tư ít hơn so với làm sạch không khí. Thiết bị làm sạch chỉ là các bể nước chảy, trong đó có sự tham gia của nấm và vi khuẩn (cả hiếu khí và kỵ khí) để phân rã các chất hữu cơ. Trong rất nhiều trường hợp dòng nước thải có chứa các kim loại nặng hoặc các chất hữu cơ khó phân hủy. 

Mục đích làm sạch nước thải là giải phóng các chất khoáng ở thể rắn hoặc lỏng và chất hữu cơ khỏi nước, trước khi nó chảy vào sông hoặc suối và tạo điều kiện để phân huỷ các chất hữu cơ bằng cách biến đổi chúng bằng enzyme thành các chất tan không độc với môi trường xung quanh.

Hàm lượng các chất hữu cơ được phân rã bởi vi sinh vật được đánh giá theo chỉ số "tiêu thụ sinh học oxy" BOD. Đấy là số lượng oxy cần cho vi sinh vật để oxy-hoá vật liệu hữu cơ trong quá trình hô hấp. Thí dụ BOD5 có nghĩa là số lượng oxy (mg) cần cho vi sinh vật trong quá trình phân rã các chất hữu cơ thời gian 5 ngày. Chỉ số "tiêu thụ hóa học oxy" (COD) biểu thị số lượng oxy cần trong quá trình oxy hóa hóa học hoàn toàn các chất nói trên đến CO2 và H2O.

Để làm sạch nước thải trong các hệ thống làm sạch người ta sử dụng các kỹ thuật xử lý khác nhau, tuy nhiên chúng đều hoạt động theo các giai đoạn sau:

1) Loại bỏ các hạt dễ lắng trong bể lắng cát ở hồ nước thứ nhất.
2) Oxy hóa bằng vi sinh vật các chất hữu cơ hòa tan với việc sử dụng bùn hoạt tính và biofilter.
3) Ủ phần cặn được loại bỏ từ hồ nước thứ nhất và thứ hai ở điều kiện yếm khí trong phần hầm biogas, kết quả nhận được khí methane và cặn. Từ cặn này sau khi loại nước ta sẽ nhận được compost và sử dụng nó để đốt hoặc làm phân.
Sau đó nước trong đã được làm sạch sẽ được đổ trực tiếp vào sông hoặc thông qua hồ chứa nước. Nước được sử lý chứa các sản phẩm của các quá trình khoáng hóa như các ion phosphate, nitrate và ammonia v.v... Khả năng gây nhiễm bẩn các hồ chứa nước có thể loại bỏ được, nếu nước thải được sử dụng để tưới ruộng hoặc làm phân bón cho đất trồng rừng. Nói chung các giải pháp kỹ thuật của vấn đề làm sạch nước thải có rất nhiều phương án.

BẢNG 7.4 : Nồng độ giới hạn cho phép của các chất trong nước thải (CCP) đưa vào các công trình làm sạch bằng biện pháp sinh học.

 (*) : Ghi chú: CCP là nồng độ giới hạn cho phép của các chất (g/m3 nước thải)
Ngoài ra, các điều kiện của môi trường như hàm lượng O2, pH, nhiệt độ của nước thải ... cũng phải nằm trong một giới hạn nhất định để bảo đảm sự sinh trưởng, phát triển bình thường của các vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý.
Theo VOER/moitruong