微生物生长快，数量多，再加上几十亿年来进化所取得的丰富“经验”和“积累”，使得微生物具备了极其丰富的多样性。这种多样性不仅表现在形态、种类上，更表现在它们获取营养和进行代谢的能力上。微生物几乎能将所有类型的有机物作为能量来源“吃”下去，不少微生物还能以无机物和光作为能量来源。正是微生物这种强大的营养代谢能力，决定了它在污水处理中几乎“无所不能”。
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微生物可以分为好氧性和厌氧性两种，它们处理污水的办法截然不同。在好氧处理过程中，人们需要不断将氧气鼓入污水池中，这称为“曝气”。充足的氧气使污水中本来存在的各种微生物能够大量生长起来，这些臭烘烘的污泥对微生物来说是可口的“美食”，它们在“大吃大喝”的过程中将污水内的各种物质转化为自己身体的组成部分，将代谢产生的二氧化碳等无害气体排出体外，使水体中溶解的营养成分逐渐减少。“吃饱了”的菌体们会聚集在一起，缓慢下沉到池底，成为“活性污泥”。处理过的水经沉淀分离“活性污泥”后，可以除去90%左右的有机物，水也就变清了。
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自然界中还有许多微生物是躲在没有氧气的环境中生长的，它们同样具有分解各种物质的能力，许多有机物就是在海底、河床的淤泥层中被逐渐分解的，厌氧生物处理就是人工模拟这个过程。与好氧处理不同，厌氧处理需要在密闭的容器中进行，也不用鼓风加氧。污水流入时会带入一些氧气，但这些氧气会很快就被入水口附近的好氧微生物消耗殆尽，然后水体就进入无氧状态，各种厌氧微生物便大展拳脚，逐渐分解各种有机物，使污水澄清。与好氧处理法相比，厌氧处理过程中会产生甲烷等气体，可以作为能源。用厌氧法可以处理的污染浓度范围也更广，但缺点在于处理周期较长
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由于不同来源的污水含有的污染成分和浓度不同，常常把好氧处理和厌氧处理结合起来。有时候，对一些含有特殊的有毒物质或难以降解的物质的污水，还需要采取特别的工艺流程，分离培育特殊的菌种和专门的活性污泥，以达到理想的污水处理目的。
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