污水处理中的微生物种类很多，主要有菌类，藻类以及动物类。
1、细菌
细菌的适应性强，增长速度快。根据对营养物需求的不同，可将细菌分为自养菌和异养菌两大类。自养菌利用各种无机物（CO2、HCO3-、NO3-、PO3-4等）为营养将其转化为另一种无机物，释放出能量，合成细胞物质，其碳源、氮源和磷源皆为无机物。异养菌以有机碳作碳源，有机或无机氮为氮源，将其转化为CO2、H2O、NO3-、CH4、NH3等无机物，释放出能量，合成细胞物质。污水处理设施中的微生物主要是异养菌。
2、真菌
真菌包括霉菌和酵母菌。真菌是好氧菌，以有机物为碳源，生长pH为2〜9，最佳pH为5.6。真菌需氧量少，只有细菌的一半。真菌常出现于低pH值、分子氧较少的环境中。
真菌丝体对活性污泥的凝聚起到骨架作用，但过多丝状菌的出现会影响污泥的沉淀性能，而引起污泥膨胀。真菌在污水处理的作用是不可忽视的。
3、藻类
藻类是单细胞和多细胞的植物性微生物。它含有叶绿素，利用光合作用同化二氧化碳和水放出氧气，吸收水中的氮、磷等营养元素合成自身细胞。
4、原生动物
原生动物是最低等的能进行分裂增殖的单细胞动物。污水中的原生动物既是水质净化者又是水质指示物。绝大多数原生动物属于好氧异养型。在污水处理中，原生动物的作用没有细菌重要，但由于大多数原生动物能吞食固态有机物和游离细菌，所以有净化水质的作用。原生动物对环境的变化比较敏感，在不同的水质环境中出现不同的原生动物，所以是水质指示物。例如，溶解氧充足时钟虫大量出现，溶解氧低于1㎎/L时出现较少，也不活跃。
5、后生动物
后生动物是多细胞动物。在污水处理设施和稳定塘中常见的后生动物有轮虫、线虫和甲壳类的动物。
后生动物皆为好氧微生物，生活在较好的水质环境中。后生动物以细菌、原生动物、藻类和有机固体为食，它们的出现表明处理效果较好，是污水处理的指示性生物。
二、微生物的代谢
微生物的生命过程是营养不断被利用，细胞物质不断合成又不断消耗的过程。在这一过程中伴随着新生命的诞生，旧生命的死亡和营养物（基质）的转化。污水的生物处理就是利用微生物对污染物（营养物）的代谢转化作用实现的。
1、微生物的营养关系
细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物共生于水体中。细菌和真菌以水中的有机物、氮和磷等为营养进行有氧和无氧呼吸合成自身细胞。藻类是利用二氧化碳和水中的氮、磷进行光和作用合成自身细胞并向水体提供氧气。藻类的细胞死亡后成为菌类繁殖的营养。原生动物吞食水中固态有机物、菌类和藻类。后生动物捕食水中固体有机物、菌类、藻类和原生动物。
2、微生物的代谢
微生物从污水中摄取营养物质，通过复杂的生物化学反应合成自身细胞和排出废物。这种为维持生命活动和生长繁殖而进行的生化反应过程叫新陈代谢，简称代谢。根据能量的转移和生化反应的类型可将代谢分为分解代谢和合成代谢。微生物将营养物分解转化为简单的化合物并释放出能量，这一过程叫做分解代谢或产能代谢；微生物将营养物转化为细胞物质并吸收分解代谢释放的能量，这一过程叫做合成代谢。当营养缺乏时，微生物对自身细胞物质进行氧化分解，以获得能量，这以过程叫做内源代谢，也叫内源呼吸。当营养物充足的时，内源呼吸并不明显，但营养物缺乏时，内源呼吸是能量的主要来源。
没有新陈代谢就没有生命。微生物通过新陈代谢不断地增殖和死亡。微生物的分解代谢为合成代谢提供能量和物质，合成代谢为分解代谢提供催化剂和反应器。两种代谢相互依赖、相互促进、不可分割。
微生物代谢消耗的营养物一部分分解成简单的物质排入环境，另一部分合成为细胞物质。不同的微生物代谢速度不同，营养物用于分解和合成的比例也不相同。厌氧微生物分解营养物不彻底，释放的能量少，代谢速度慢，将营养物用于分解的比例大，用于合成的比例小，细胞增殖慢。好氧微生物分解营养物彻底，最终产物（CO2、H2O 、NO3-、PO43-等）稳定，含有的能量最少，所以好氧微生物代谢中释放的能量多，代谢速度快，将营养物用于分解的比例小，用于合成的比例大，细胞增殖快。