活性污泥净化废水主要通过三个阶段来完成。

第一阶段：废水主要通过活性污泥的吸附作用而得到净化。吸附作用进行的十分迅速，一般在30min内完成，BOD5的去除率高达70%。同时还具有部分氧化的作用，但吸附是主要作用。活性污泥具有极大的表面积，内源呼吸阶段的活性污泥处于“饥饿”状态，其活性和吸附能力最强。吸附达到饱和状态后，污泥就失去了活性，不再具有吸附能力。但通过氧化阶段，除去了所吸附和吸收的大量有机物后，污泥又将重新呈现活性，恢复它的吸附和氧化的能力。

第二阶段：这一阶段也称氧化阶段，主要是继续分解氧化前阶段被吸附吸收的有机物，同时继续吸附一些残余的溶解物质。这个阶段进行的相当缓慢。实际上，曝气池的大部分容积都用在进行有机物的氧化和微生物的细胞物质的合成上。氧化作用在污泥同有机物开始接触时进行的最快，随着有机物逐渐被消耗掉，氧化速率逐渐降低。因此如果曝气过分，活性污泥进入自身氧化阶段时间过长，回流污泥进入曝气池后初期所具有的吸附去除效果就会降低。

第三阶段：这一阶段是泥水分离阶段，在这一阶段中，活性污泥在二沉池中进行沉淀分离。微生物的合成代谢和分解代谢都能去除污水中的有机污染物，但产物不同。分解代谢的产物是CO2和H2O，可直接消除污染，而合成代谢的产物是新生的微生物细胞，只有将其从混合液中去除才能实现污水的完全净化处理。必须使混合液经过沉淀处理，将活性污泥与净化水进行分离，同时将与合成代谢生成的新微生物细胞等量的原有老化微生物以剩余污泥的方式排出活性污泥处理系统，才能达到彻底净化污水的目的。同时，必须对剩余污泥进行妥善处理，否则可能造成二次污染。