Cơ sở của quá trình xử lí nước nằm ở bản chất quá trình chuyển hóa cơ chất và sự sinh trưởng của vi khuẩn: để tồn tại và phát triển vi khuẩn phải thực hiện quá trình chuyển hóa hai mặt là đồng hóa và dị hóa. Vi khuẩn tiêu hóa các chất bẩn hữu cơ tan trong nước và cơ chất dạng keo, ôxi hóa chúng tạo năng lượng cho các hoạt động của chúng, đồng thời sinh tổng hợp tái tạo tế bào tạo sản phẩm là H₂O, khí CO₂ và sinh khối mới (bùn).

Giai đoạn 1: Oxi hóa các hợp chất hữu cơ: C_xH_yO_z + O₂ → CO₂ +H₂O
Giai đoạn 2: Tổng hợp các tế bào mới: C_xH_yO_z + NH₃ + O₂ → C₅H₇NO₂  + CO₂ + H₂O
Giai đoạn 3: Phân hủy nội sinh: C₅H₇NO₂ + 5O₂ → 5CO₂ + NH₃ + 5H₂O
Các công nghệ điển hình xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp vi sinh hiếu khí: công nghệ SBR, MBR, bể aerotank,…

Vi khuẩn hiếu khí: Pseudomonads (có khả năng ôxi hóa nhiều loại cơ chất), Alcaligenes và Flavobacterium(phân hủy các protein), Các vi khuẩn nitrit hoá là  Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira, và Nitrosovibrio.

Xử lý nước thải sinh hoạt bằng vi sinh vật kị khí: Quá trình diễn ra trong điều kiện vắng mặt khí Oxy, sản phẩm CH₄ (chiếm khoảng 65%), CO₂, H2, N2,… chỉ áp dụng cho nước thải có hàm lượng BOD cao 10-30g/l.

Phương trình tổng của phản ứng yếm khí phân huỷ chất hữu cơ như sau:
C_cH_hO_oN_nS_s + 1/4(4c–h–2o+3n+2s)H₂O -> 1/8(4c –h+2o+3n+2s)CO₂ + 1/8(4c + h – 2o – 3n – 2s)CH₄ + nNH₃ + sH₂S

Các công nghệ điển hình xử lý nước thải sinh hoạt bằng vi sinh kị khí: bể tự hoại, UASB, metan, Anammox
Các loại vi khuẩn trong quá trình yếm khí: nhóm vi khuẩn axetat hóa (acetogenic bacteria) tạo hyđrô hoặc axetat từ các sản phẩm thủy phân, Vi khuẩn ưa hyđrô tạo metan. Ngoài các vi khuẩn tạo thủy phân, axit hóa, axetat hóa, tạo metan tùy điều kiện môi trường ta còn gặp các vi khuẩn khử sulphat.

Để thực hiện được những quy trình chuyển hóa phức tạp ấy đòi hỏi các nhà nghiên cứu cho ra đời hệ thống các thiết bị xử lý nước đa dạng nhằm đáp ứng được sự ô nhiễm ngày càng cao của nguồn nước hiện nay

Xem thêm:

Xử Lý Nước Thải Sinh Hoạt Theo Phương Pháp Sinh Học Hiếu Khí

Các Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Sinh Hoạt Và Công Nghiệp