当废水长期流过固体滤料表面时，微生物在介质“滤料”表面上生长发育，形成黏液性的膜状生物性污泥，称为“生物膜”。利用生物膜上的大量微生物吸附和降解水中有机污染物的水处理方法称为“生物膜法”。

生物膜净化水的机理如下图所示。

在膜外附着一层薄薄的缓慢流动的水层，称为附着水层。生物膜内外、生物膜与水层之间进行着多种物质的传递过程：

1）废水中的有机物由流动水层转移到附着水层，进而被生物膜吸附；

2）空气中的氧溶解于流动水层中，通过附着水层传递给生物膜，供微生物呼吸之用；

3）微生物氧化分解和同化合成过程中产生的二氧化碳和其他代谢产物一部分溶入附着水层，一部分析出到空气中；

4）随着微生物的增殖，生物膜不断加厚，靠近滤料的厌氧微生物发展，形成厌氧层，产生有机酸、甲烷、氨及硫化氢，产生臭味；

5）厌氧层的微生物因得不到营养而进入内源代谢，造成生物膜整块脱落，滤料表面又生成新的生物膜，如此循环往复不断更新。

从生物介导自然界能流的角度分析生物膜的作用机理如下：

初始阶段，滤料表面为有氧环境，因而能量传递介体主要为好氧微生物，其介导的能流可记为：有机污染物（能量供体）→好氧微生物（能量传递介体）→氧气（能量受体）。

初期，有机污染物和氧气充足，二者之间的能流对好氧微生物的能量传递能力的需求较高。然而，好氧微生物的数量相对较少，即能量传递能力相对较弱，难以满足有机污染物和氧气之间能流的需求，进而受到有机污染物和氧气对其施加的选择压力。生物提升能量传递能力的途径主要有两种：一是提高单个个体的代谢能力；二是增加种群数量。对于初始阶段的好氧微生物而言，在这两方面均都有所体现，因为这个阶段的微生物的活性相对较强（生物实验往往选择对数生长期的微生物，就是因为此阶段生物的活性较强），种群数量也是以对数的形式增加。

随着好氧微生物数量的逐渐增加，生物膜的厚度也逐渐增加，不同厚度的微生物所受到的来自有机污染物和氧气的选择压力不同。从附着水层往滤料层，有机污染物和氧气的浓度逐渐降低，二者之间的能流对好氧微生物的能量传递能力的需求也逐渐降低，好氧微生物受到的选择压力也越来越小。然而，内层好氧微生物的数量已经达到饱和，微生物的生长也需要从能流中获取能量。有机污染物和氧气之间的能流对好氧微生物能量传递能力的需求与内层微生物维持自身能量传递能力对能流的需求之间的矛盾，致使内层微生物降低其能量传递能力（生命一方在矛盾中的妥协说明生命在自然界面前是如此的渺小）。生物降低能量传递能力的途径主要有两种：一是降低单个个体的代谢能力；二是减少种群数量。对于内层好氧微生物而言，在这两方面均有所体现，因为内层微生物的活性的确是相对较弱，甚至死亡，种群数量也是逐渐减少。

生物体从出生那一刻便伴随着一对自然界对其需求的矛盾，即自然界既需要生物帮其实现能量分布的相对均衡，又需要生物体释放其能量（因为生物体本身也是一种能量相对较高的物体）。因而，当生物体的能量传递能力不再满足自然界所需时，生物体便需要发生角色的转换，即由能流中的能量传递介体转化为能量供体，这便意味着生物体的死亡。

随着生物膜厚度的增加，内层出现一条新的能流，即死亡的微生物（能量供体）→厌氧微生物（能量传递介体）→氧化物（能量受体），这便是教材里讲的“内源代谢”。随着对死亡微生物的消化，生物膜便从固体滤料表面脱落。

还有一些有机污染物是以厌氧菌作为能量传递介体的，当生物膜中出现厌氧层后，厌氧微生物逐渐成为优势微生物，其能量传递能力也得以呈现，以厌氧微生物作为能量传递介体的能流也随之出现，该能流可记为：有机污染物（能量供体）→厌氧微生物（能量传递介体）→氧化物（能量受体）。

当生物膜整块脱落后，厌氧层不再存在，厌氧微生物介导的能流也不再存在，滤料表面又以好氧微生物介导的能流为主，如此循环往复不断更新。