活性污泥微生物群体与食物链活性污泥由细菌、菌胶团、原生动物、后生动物等微生物组成。细菌主要是菌胶团。原生动物由钟虫、小口钟虫、大草履虫、尾皮多虫、盖纤虫、片状漫游虫、裂口虫、表壳虫、线形虫、循纤虫等组成。
活性污泥微生物净化反应过程:
（1）在好氧条件下，利用含碳有机物进行生物繁殖的异养微生物（包括细菌、原生动物和后生动物等）代谢、降解、净化含碳有机污染物质。
（2）在好氧条件下，将氨氮氧化成亚硝酸盐后又将亚硝酸盐氧化为硝酸盐自养菌（包括氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌），反应过程称为硝化，细菌通称为硝化菌。
（3）在缺氧条件下（基本上无溶解氧条件下），硝酸性呼吸或亚硝酸性呼吸的兼性厌氧菌（含异养菌，称为脱氮菌）进行脱氮。
（4）在厌氧条件下（无溶解氧），与好氧交替作用（反应），积累大量的聚磷酸的细菌（含异养菌，称聚磷菌），进行厌氧条件下释放磷和好氧条件下吸收磷，最终在厌氧条件下，将磷转移至污泥中起到除磷作用。
活性污泥法的运行过程就是创造使上述4类微生物各自发挥生理特性的条件，例如控制适宜的生物固体停留时间，使去除含碳有机物的微生物可顺利地进行反应，停留时间要既能满足去除含碳有机污染物，又能满足硝化菌生长繁殖，易进行氨氮的硝化（氨氮的氧化即硝化过程）。另外已进行硝化的活性污泥混合液（含亚硝酸盐和硝酸盐），在有机碳存在的条件下，在好氧状态下，则脱氮菌能进行脱氮，将氮气释放于大气；在厌氧条件下，具有聚磷菌的生长条件，则予以除磷，使污水得到净化处理。