تستخدم هذه المرحلة قوة الكائنات الحية الدقيقة لزيادة تنقية المياه. تتضمن العملية:

• التهوية: يتم توجيه مياه الصرف الصحي إلى خزان تهوية حيث يتم إدخال الأكسجين, و هذا يخلق بيئة مثالية لازدهار الكائنات الحية الدقيقة.
• التحلل الحيوي: تستهلك الكائنات الحية الدقيقة الجسيمات العضوية الذائبة و تتفاعل مع الملوثات مثل المعادن الثقيلة، مما يؤدي إلى تكسيرها بشكل فعال.
• الترسيب الثانوي: تستقر المستعمرات الناتجة عن الكائنات الدقيقة في قاع حوض الترسيب الثانوي.

و تؤدي الجهود المشتركة لمرحلتي المعالجة الميكانيكية و البيولوجية إلى إزالة ما يعادل 90% من الملوثات، مما يترك مياه الصرف الصحي أنظف بكثير.