Obiectivul principal al treptei biologice de epurare este îndepărtarea substanţelor solide organice nesedimentabile (dizolvate sau coloidale), precum şi stabilizarea materiilor organice din nămoluri. Totodată se propune reducerea nutrienţilor pe bază de azot şi fosfor.

Este un proces flexibil care se poate adapta uşor la o multitudine de ape uzate, concentraţii şi compoziţii. Procesele biologice sunt precedate de o treaptă fizică de epurare care are rolul de a reţine substanţele sedimentabile şi sunt urmate de o decantare secundară – procese fizice – destinată reţinerii produşilor rezultaţi din epurarea biologică.

Factorii care influenţează procesul biologic sunt: timpul de contact sau timpul de traversare a obiectivului tehnologic în care se desfăşoară procesul biologic, temperatura, pH-ul, oxigenul, încărcarea obiectului tehnologic cu ape uzate (diluţie), cu nămol, nutrienţi, prezenţa inhibitorilor de proces, condiţiile hidrodinamice ale procesului – omogenizare şi amestecare.

Procesul de epurare biologică este deosebit de complex şi la rezolvarea lui intervin o serie de fenomene: 1. fizice – transferul de masă al oxigenului şi substratului la nivelul celulelor, al oxigenului din aer în apă, adsorbţia particulelor coloidale şi a suspensiilor fine la suprafaţa biomasei, desorbţia produşilor metabolici, sedimentare gravitaţională etc.; 2. chimice – reacţii de hidroliză, de hidratare, de oxido-reducere, de precipitare şi coagulare, modificarea pH-ului; 3. biochimice – reacţii de oxidare biochimică a substratului, respiraţie endogenă, creşterea biomasei, inhibarea reacţiilor enzimatice; 4. hidraulice – regimul de curgere, distribuţia mediului polifazic în bazinul de aerare, curenţi de convecţie şi de densitate, timpul hidraulic de retenţie, viteze de sedimentare, încărcări hidraulice etc.

Metodele biologice sunt cele mai eficiente şi economice pentru eliminarea substanţelor organice poluante din apele uzate. Procedeele biologice de epurare utilizează activitatea metabolică a unor grupe de microorganisme capabile să degradeze substanţele organice până la dioxid de carbon şi apă. Ele se bazează pe reacţiile biochimice din cadrul metabolismului unei populaţii mixte de bacterii, ciuperci şi alte microorganisme inferioare – în special protozoare. În practica epurării apelor uzate aceste biocenoze (masa microorganismelor active, a celulelor viabile) sunt denumite biomasă.

Biomasa reprezintă populaţia mixtă de bacterii, ciuperci şi alte microorganisme – în special protozoare şi metazoare inferioare – care îşi desfăşoară activitatea metabolică în instalaţia de epurare. Rezultatul final al procesului biologic de epurare se concretizează în degradarea substanţei organice, până la diferite stadii corespunzătoare tehnologiei şi echipamentelor, şi creşterea biomasei (apreciată la 40…60%) sub forma materialului celular insolubil, sedimentabil, precum şi unii produşi ai metabolismului, mai uşor de îndepărtat.

Procedeele de epurare biologică, utilizate în practică, folosesc una din două grupe de microorganisme: aerobe sau anaerobe. Microorganismele anaerobe se folosesc în procesele de fermentare a nămolurilor şi la stabilizarea unor ape uzate industriale concentrate. Microorganismele aerobe sunt utilizate în mod curent în epurarea majorităţii apelor uzate cu caracter predominant organic – compuşi pe bază de carbon, azot sau fosfor – şi pentru stabilizarea anumitor categorii de nămoluri.

Pentru epurarea biologică în regim aerob a apelor cele mai utilizate procedee sunt: cu nămol activ, cu peliculă biologică sau cu flocoane de nămol ce conţin atât bacterii aerobe cât şi anaerobe. Deşi aceste trei procese diferă între ele în ceea ce priveşte timpul de contact dintre microorganisme şi apa uzată, modul de realizare al amestecului fazelor, necesarul de oxigen, modul de utilizare al nămolului biologic etc. totuşi fenomenele biochimice esenţiale sunt similare sau identice.

Optimizarea tehnologiei de epurare prin procese biologice are în vedere sistemul costurilor efective. Ea se realizează în două etape. În prima etapă este necesară selecţionarea sistemului optim din mai multe variante analizate de proiectant. În etapa a doua se pune problema alegerii şi dimensionării optime a unităţilor din sistemul adoptat. Se menţionează că această analiză tehnico-economică trebuie să considere şi costurile de investiţie şi exploatare ale subsistemului de tratare a nămolului reţinut în decantorul secundar caracterizat prin concentraţia în solide şi debitul recirculat.

Desfăşurarea procesului biologic este dependentă de menţinerea unor parametri constanţi la intrarea apei uzate în instalaţia de epurare. Apariţia unor şocuri temporare va conduce la reducerea parametrilor de sedimentare a nămolului, dezintegrarea nămolului activ, majorarea concentraţiei suspensiilor solide în efluent şi în final la completa blocare a procesului.
Procedeele biologice de epurare se desfăşoară în condiţii naturale (lagune, iazuri biologice, fermentare aerobă), condiţii naturale forţate (lagune aerate) sau în regim artificial. În condiţii artificiale se pot desfăşura procedee în peliculă biologică – filtre biologice, echipamente cu peliculă aderentă sau procedeul cu nămol activ.