在污水生物處理的發展和應用中，活性污泥和生物膜法一直占據主導地位。隨著新型環保填料的開發和配套技術的不斷完善，與活性污泥法平行發展起來的生物膜法處理工藝在近年來得以快速發展。由于生物膜法具有處理效率高，耐沖擊負荷性能好，產泥量低，占地面積少，便于運行管理等優點，在城市生活污水處理中極具競爭力。
1、生物膜法污水處理：
生活污水的有機污染物主要包括：蛋白質(40%-60%)，碳水化合物(25%-50%)和油脂(10%)，此外還含有一定量的尿素。生物膜法依靠固定于載體表面上的微生物膜來降解有機物，由于微生物細胞幾乎能在水環境中的任何適宜的載體表面牢固地附著、生長和繁殖，由細胞內向外伸展的胞外多聚物使微生物細胞形成纖維狀的纏結結構，因此生物膜通常具有孔狀結構，并具有很強的吸附性能。生物膜附著在載體的表面，是高度親水的物質，在污水不斷流動的條件下，其外側總是存在著一層附著水層。生物膜又是微生物高度密集的物質，在膜的表面上和內部生長繁殖著大量的微生物及微型動物，形成由有機污染物 →細菌→原生動物(后生動物)組成的食物鏈。生物膜是由細菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物和其他一些肉眼可見的生物群落組成。其中細菌一般有：假單苞菌屬、芽苞菌屬、產堿桿菌屬和動膠菌屬以及球衣菌屬，原生動物多為鐘蟲、獨縮蟲、等枝蟲、蓋纖蟲等。后生動物只有在溶解氧非常充足的條件下才出現，且主要為線蟲。污水在流過載體表面時，污水中的有機污染物被生物膜中的微生物吸附，并通過氧向生物膜內部擴散，在膜中發生生物氧化等作用，從而完成對有機物的降解。生物膜表層生長的是好氧和兼氧微生物，而在生物膜的內層微生物則往往處于厭氧狀態，當生物膜逐漸增厚，厭氧層的厚度超過好氧層時，會導致生物膜的脫落，而新的生物膜又會在載體表面重新生成，通過生物膜的周期更新，以維持生物膜反應器的正常運行。
生物膜法通過將微生物細胞固定于反應器內的載體上，實現了微生物停留時間和水力停留時間的分離，水處理填料的存在，對水流起到強制紊動的作用，同時可促進水中污染物質與微生物細胞的充分接觸，從實質上強化了傳質過程。生物膜法克服了活性污泥法中易出現的污泥膨脹和污泥上浮等問題，在許多情況下不僅能代替活性污泥法用于城市污水處理廠的二級生物處理，而且還具有運行穩定、抗沖擊負荷強、更為經濟節能、具有一定的硝化反硝化功能、可實現封閉運轉防止臭味等優點。通過人工強化作用將生物膜引入到城市生活廢水處理的污水處理反應器中，便形成了生物膜反應器。生物膜反應器發展迅速，由單一到復合，有好氧也有厭氧，逐步形成了一套較完整的生物處理系統。填料是生物膜技術的核心之一，它的性能對城市生活污水處理工藝過程的效率、能耗、穩定性以及可靠性均有直接關系。
2、厭氧生物膜法處理工藝在生活污水處理中的應用：
(1)、高分子有機物的厭氧降解階段：
在廢水的厭氧處理過程中，廢水中的有機物經大量微生物的共同作用，被最終轉化為甲烷、二氧化碳、水、硫化氫和氨，高分子有機物的厭氧降解過程可以被分為四個階段。
水解階段：高分子有機物因相對分子質量巨大，不能透過細胞膜，因此不可能為細菌直接利用。因此它們在第一階段被細菌胞外酶分解為小分子。例如纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質被蛋白酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產物能夠溶解于水并透過細胞膜為細菌所利用。
發酵(或酸化)階段：在這一階段，上述小分子的化合物在發酵細菌(即酸化菌)的細胞內轉化為更為簡單的化合物并分泌到細胞外。這一階段的主要產物有揮發性脂肪酸(簡寫作VFA)、醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等。與此同時，酸化菌也利用部分物質合成新的細胞物質，因此未酸化廢水厭氧處理時產生更多的剩余污泥。
產乙酸階段：在此階段，上一階段的產物被進一步轉化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細胞物質。
產甲烷階段：這一階段里，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇等被轉化為甲烷、二氧化碳和新的細胞物質。
在以上階段里，還包含著以下這些過程：a、水解階段里有蛋白質水解、碳水化合物的水解和脂類水解；b、發酵酸化階段包含氨基酸和糖類的厭氧氧化與較高級的脂肪酸與醇類的厭氧氧化；c、產乙酸階段里有從中間產物中形成乙酸和氫氣和由氫氣和 氧化碳形成乙酸；d、甲烷化階段包括由乙酸形成甲烷和從氫氣和二氧化碳形成甲烷。除以上這些過程之外，當廢水含有硫酸鹽時還會有硫酸鹽還原過程。
(2)厭氧生物膜法處理工藝：
a、厭氧濾器(AF)：
傳統的好氧生物系統一般容積負荷在2KgCOD/(m3·d)以下，而在AF發明之前的厭氧反應器一般容積負荷也在4-5kgCOD/(m3·d)以下。但AF在處理溶解性廢水時負荷可高達10-15 kgCOD/(m3·d)。因此AF的發展大大提高了城市生活廢水處理的厭氧反應器的處理速率，使反應器容積大大減少。由于采用了生物固定化的技術，AF作為高速厭氧反應器，使污泥在反應器內的停留時間(SRT)極大地延長。SRT的提高可以大大縮短廢水的水力停留時間(HRT)，從而減少反應器容積，或在相同反應器容積時增加處理的水量。這種采用生物固定化延長SRT，并把SRT和HRT分別對待的思想推動了新一代高速厭氧反應器的發展。SRT的延長實質是維持了反應器內污泥的高濃度，在AF內，厭氧污泥的濃度可以達到10-20gVSS/L。AF內厭氧污泥的保留由兩種方式完成：其一是細菌在AF內固定的填料表面(也包括反應器內壁)形成生物膜；其二是在填料之間細菌形成聚集體。高濃度厭氧污泥在反應器內的積累是AF具有高速反應性能的生物學基礎，在一定的污泥比產甲烷活性下，厭氧反應器的負荷與污泥濃度成正比。同時，AF內形成的厭氧污泥較之厭氧接觸工藝的污泥密度大、沉淀性能好，因而其出水中的剩余污泥不存在分離困難的問題。由于AF內可自行保留高濃度的污泥，也不需要污泥的回流。
