活性污泥法主要依靠存活在曝气池内的活性污泥微生物，不断地从其周围的环境中社区污水中的有机污染物作为营养加以摄取、吸收。
污水中的有机污染物，首先被吸附在大量微生物栖息的活性污泥表面，并与微生物细胞表面接触，在微生物透膜酶的催化作用下，透过细胞壁进入微生物细胞体内，小分子的有机物能够直接透过细胞壁进入微生物体内，而如淀粉、蛋白质等大分子有机物，则必须在细胞外酶——水解酶的作用下，被水解为小分子后再为微生物摄入细胞体内。
被摄入细胞体内的有机污染物，在各种胞内酶，如脱氢酶、氧化酶等的催化作用下，微生物对其进行代谢反应。
微生物对一部分有机物进行氧化分解，最终形成CO2和H2O等稳定的无机物质，并从中获取合成新细胞物质所需要的能量。另一部分有机污染物为微生物用于合成新细胞，即合成代谢，所需能量取自分解代谢。
在曝气池的末端，由于营养物质的匮乏，微生物可能进入内源代谢反应，微生物对其自身的细胞物质进行代谢反应。
无论是分解代谢还是合成代谢，都能够去除污水中的有机污染物，但产物却有所不同，分解代谢的产物是CO2和H2O，可直接排入环境，而合成代谢的产物则是新生的微生物细胞，并以剩余污泥的方式排出活性污泥处理系统，对其需进行妥善处理，否则可能造成二次污染。
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