污水處理中的微生物種類很多，主要有菌類，藻類以及動物類。
1、細菌
細菌的適應性強，增長速度快。根據對營養物需求的不同，可將細菌分為自養菌和異養菌兩大類。自養菌利用各種無機物（CO2、HCO3-、NO3-、PO3-4等）為營養將其轉化為另一種無機物，釋放出能量，合成細胞物質，其碳源、氮源和磷源皆為無機物。異養菌以有機碳作碳源，有機或無機氮為氮源，將其轉化為CO2、H2O、NO3-、CH4、NH3等無機物，釋放出能量，合成細胞物質。污水處理設施中的微生物主要是異養菌。
2、真菌
真菌包括霉菌和酵母菌。真菌是好氧菌，以有機物為碳源，生長pH為2?9，最佳pH為5.6。真菌需氧量少，只有細菌的一半。真菌常出現于低pH值、分子氧較少的環境中。
真菌絲體對活性污泥的凝聚起到骨架作用，但過多絲狀菌的出現會影響污泥的沉淀性能，而引起污泥膨脹。真菌在污水處理的作用是不可忽視的。
3、藻類
藻類是單細胞和多細胞的植物性微生物。它含有葉綠素，利用光合作用同化二氧化碳和水放出氧氣，吸收水中的氮、磷等營養元素合成自身細胞。
4、原生動物
原生動物是最低等的能進行分裂增殖的單細胞動物。污水中的原生動物既是水質凈化者又是水質指示物。絕大多數原生動物屬于好氧異養型。在污水處理中，原生動物的作用沒有細菌重要，但由于大多數原生動物能吞食固態有機物和游離細菌，所以有凈化水質的作用。原生動物對環境的變化比較敏感，在不同的水質環境中出現不同的原生動物，所以是水質指示物。例如，溶解氧充足時鐘蟲大量出現，溶解氧低于1㎎/L時出現較少，也不活躍。
5、后生動物
后生動物是多細胞動物。在污水處理設施和穩定塘中常見的后生動物有輪蟲、線蟲和甲殼類的動物。
后生動物皆為好氧微生物，生活在較好的水質環境中。后生動物以細菌、原生動物、藻類和有機固體為食，它們的出現表明處理效果較好，是污水處理的指示性生物。
二、微生物的代謝
微生物的生命過程是營養不斷被利用，細胞物質不斷合成又不斷消耗的過程。在這一過程中伴隨著新生命的誕生，舊生命的死亡和營養物（基質）的轉化。污水的生物處理就是利用微生物對污染物（營養物）的代謝轉化作用實現的。
1、微生物的營養關系
細菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物共生于水體中。細菌和真菌以水中的有機物、氮和磷等為營養進行有氧和無氧呼吸合成自身細胞。藻類是利用二氧化碳和水中的氮、磷進行光和作用合成自身細胞并向水體提供氧氣。藻類的細胞死亡后成為菌類繁殖的營養。原生動物吞食水中固態有機物、菌類和藻類。后生動物捕食水中固體有機物、菌類、藻類和原生動物。
2、微生物的代謝
微生物從污水中攝取營養物質，通過復雜的生物化學反應合成自身細胞和排出廢物。這種為維持生命活動和生長繁殖而進行的生化反應過程叫新陳代謝，簡稱代謝。根據能量的轉移和生化反應的類型可將代謝分為分解代謝和合成代謝。微生物將營養物分解轉化為簡單的化合物并釋放出能量，這一過程叫做分解代謝或產能代謝；微生物將營養物轉化為細胞物質并吸收分解代謝釋放的能量，這一過程叫做合成代謝。當營養缺乏時，微生物對自身細胞物質進行氧化分解，以獲得能量，這以過程叫做內源代謝，也叫內源呼吸。當營養物充足的時，內源呼吸并不明顯，但營養物缺乏時，內源呼吸是能量的主要來源。
沒有新陳代謝就沒有生命。微生物通過新陳代謝不斷地增殖和死亡。微生物的分解代謝為合成代謝提供能量和物質，合成代謝為分解代謝提供催化劑和反應器。兩種代謝相互依賴、相互促進、不可分割。
微生物代謝消耗的營養物一部分分解成簡單的物質排入環境，另一部分合成為細胞物質。不同的微生物代謝速度不同，營養物用于分解和合成的比例也不相同。厭氧微生物分解營養物不徹底，釋放的能量少，代謝速度慢，將營養物用于分解的比例大，用于合成的比例小，細胞增殖慢。好氧微生物分解營養物徹底，最終產物（CO2、H2O 、NO3-、PO43-等）穩定，含有的能量最少，所以好氧微生物代謝中釋放的能量多，代謝速度快，將營養物用于分解的比例小，用于合成的比例大，細胞增殖快。