活性污泥中的微生物群體主要是有細菌、真菌、原生動物和后生動物組成。在活性污泥處理工藝中，活性污泥中的微生物與污水中的有機營養物質之間形成了復雜的食物鏈關系，污水中的有機物作為營養物質被活性污泥中的微生物所攝取、代謝與利用，使污水得到凈化，微生物獲得能量并合成新的細胞，活性污泥得到增殖。這一過程大致可分為三個階段。

（1）凝聚吸附  活性污泥具有很大的比表面積和多糖類黏性物質，當污水與其接觸時，污水中的有機污染物被凝聚和吸附在活性污泥的表面上而被去除。該過程取決于微生物的活性和有機物的組成及形態，微生物的活性決定了活性污泥的凝聚和吸附能力，一般處在“饑餓”狀態的內源呼吸期微生物的“活性”最強，凝聚和吸附能力也最強。

（2）分解代謝  污水中的有機物被吸附在微生物細胞的表面，在透過酶的作用下，有機物透過細胞壁進入微生物的細胞體內。微生物在有氧的條件下，對一部分有機物進行氧化分解，在形成二氧化碳和水的同時，提供合成細胞物質所需的能量，供微生物自身的繁衍增殖。

（3）泥水分離  分解代謝的最終結果是污水中的有機物得到降解，活性污泥本身得以增殖。只有經過泥水分離，處理后的水才能排放。分離效果較差是，排放水中的活性污泥成分將影響排放水的水質。