在城市污水處理廠中，生物處理過程是由多種生物群體通過各式各樣的生物反應過程來完成的。所有生物群體都來源于外部環境，即來源于污水、空氣、土壤或處理廠內外的動物。這些生物群體包括細菌、真菌、藻類、原生動物和后生動物。在活性污泥系統中，構成生物群體生存壓力和最終選擇的因素主要包括最終電子受體的類型及利用能力、可獲得的基質以及對基質的利用能力、是否具有絮凝沉淀特性、在環境溫度下能否生存及生長、生長速率高低、是否具有生長懸浮能力。

參與污水生物處理過程的關鍵性微生物群體可以劃分為以下兩個類別：
（1）異養菌：利用有機物質作為營養和能源的細菌。化能有機營養菌通過復雜有機物的分解代謝獲得能源和生物合成所需的中間體，直接代謝初級基質或者二級基質。這是數量明顯占優的一個類別。

（2）自養菌：利用二氧化碳或碳酸鹽作為唯一碳源。其中，無機化能自養菌通過氧化還原性無機物獲得生長所需的能量，例如完成氨氮氧化的硝化菌，由亞硝酸菌和硝酸菌組成，這個類群只有存在溶解氧時才能增殖，厭氧和缺氧狀態下均不能增殖；光能自養菌則直接利用太陽光能（例如藍綠藻）。

根據城市污水處理系統中異養菌對硝態氮的利用能力，可以將其劃分為反硝化菌和非反硝化菌：

（1）反硝化菌：通常是兼性厭氧菌，好氧和缺氧狀態下均可以利用快速生物降解有機物進行增殖，厭氧狀態下可以進行有機物的水解，但不能增殖。

（2）非反硝化菌：通常是好氧菌，好氧狀態下可以利用快速生物降解有機物進行增殖，缺氧和厭氧狀態下可以進行有機物的水解，但不能增殖。

根據城市污水處理系統中微生物對磷酸鹽的去除能力，可以將其劃分為聚磷菌和非聚磷菌：

（1）聚磷菌：在厭氧/好氧交替循環工藝過程的厭氧階段，可以利用細胞內聚合磷酸鹽分解所產生的能量，吸收外部的快速生物降解有機物并以高分子有機聚合物（PHA）的形式存儲起來，釋放出正磷酸鹽，但不出現細胞增殖；如果具有反硝化能力，就能夠在隨后的缺氧和好氧階段，利用存儲的有機物進行產能代謝和細胞增殖，同時大量吸收外部的磷酸鹽，在細胞內以聚合磷酸鹽的形式存儲起來。如果不具備反硝化能力，則只有在好氧狀態下才能利用存儲的有機物進行產能代謝、細胞增殖和磷的吸收。

（2）非聚磷菌：厭氧過程中進行有機物的水解和發酵，細胞不增殖；缺氧狀態下是否利用快速生物降解有機物進行增殖取決于能否利用硝態氮；在好氧狀態下能夠利用快速生物降解有機物進行增殖。