在自然界中，有机物被分解的方式大体可以分为光分解、化学分解和生物分解三种类型，其中生物分解在物质循环中起的作用最为重要。
动物、植物及微生物都能分解有机物，而绝大部分有机物都要通过微生物最终转化为无机物，即完全降解。在废水处理领域所说的生物降解指的就是微生物的降解，微生物通过氧化还原作用、脱羧作用、脱氨作用、水解作用等生物化学过程把有机物逐步转化为无机物，从而使废水得到净化。参与废水中有机物生物降解的微生物有：
（1）细菌
细菌是废水生物处理中应用到的最重要的微生物，是类似植物的单细胞生物，缺乏叶绿素和明显的细胞核，大小只有几微米，有球菌、杆菌、弧菌和丝状菌四大类型。
荚膜是细菌的一种特殊构造，是围绕在细胞壁外的一层黏液，由多糖物质构成。当荚膜物质融合在一起，内含多个细菌时，称菌胶团，一方面防止动物吞食，起保护作用；另一方面也增强了对不良环境的抵抗能力。菌胶团是活性污泥的重要组成部分，有较强的吸附和氧化有机物的能力，在废水生物处理中具有重要作用。
一般说来，活性污泥性能的好坏可以根据所含菌胶团的多少、大小及结构的紧密程度来确定。新生菌胶团颜色较浅，生命力旺盛，氧化分解有机物的能力较强。老化的菌胶团由于吸附了很多杂质，颜色变深，生命力较差。一种细菌在适宜条件下形成一定形态结构的菌胶团，而遇到不适宜环境时，菌胶团就会发生松散，甚至呈现单独细菌，影响处理效果。因此，为了使废水处理达到较好的效果，要求菌胶团结构紧密，吸附沉降性能好，这就必须满足胶团菌对营养和环境条件的要求。
（2）真菌
真菌也是类似植物的低等生物，但其结构比细菌复杂，个体比细菌大，具有明显的细胞核，但没有叶绿素，不能进行光合作用，营寄生或腐生，形态分为单细胞和多细胞两种。
真菌能够分解碳水化合物、脂肪和蛋白质等有机物。废水生物处理构筑物中也会存在真菌，生物膜中的真菌数量比活性污泥中真菌含量要多，但是数量都没有细菌多，不是废水处理的主要微生物。但是，某些真菌对某些特点的废水有特殊的处理能力，因此真菌在废水处理中也有其特殊的应用。
（3）藻类
藻类是一种低等植物，有单细胞的，也有多细胞的，主要有蓝藻、绿藻、褐藻、硅藻和金藻等。藻类一般是无机营养的，其细胞中含有叶绿素及其他辅助色素，能进行光合作用。在有光的时候，吸收CO2合成细胞质，同时释放氧气；在无光的时候通过呼吸作用获取能量，同时放出CO2。
藻类在废水处理中主要应用在氧化塘工艺中，其作用是供应氧气，但是藻类对废水处理有很多不利影响，二沉池中往往容易滋生藻类，使出水变浑浊。另外，如果水体中氮、磷的含量较高，藻类大量繁殖，容易产生富营养化污染，造成多种危害。
（4）原生动物
原生动物是最低等的单细胞动物，它们的个体都很小，长度一般在100~300μm。原生动物虽然只有一个细胞，但在生理上却是一个完整的有机体，能和多细胞动物一样行使营养、呼吸、排泄、生殖等机能。水处理中常见的原生动物主要有肉足类、鞭毛类和纤毛类，它们以吞食细菌、真菌、藻类和有机颗粒为主，少数原生动物能进行光合作用。
在废水处理中原生动物的作用表现在两方面：一方面，原生动物吞食游离细菌和有机颗粒，对水质净化起到积极的作用；另一方面，原生动物可以作为评价活性污泥性能好坏的指标生物，通过观察不同原生动物种群的生长情况可以判断污水处理设施的运转情况和水质净化效果。因此，原生动物在废水处理中的作用仅次于细菌。
（5）后生动物
后生动物由多个细胞组成，形体较大，在废水处理中常见的后生动物主要有轮虫、甲壳类动物和昆虫及其幼虫。后生动物以细菌、小的原生动物和有机颗粒为食，有一定的水质净化作用。后生动物也可作为指标微生物。
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