De biologische processen die zich in de natuur afspelen, zijn onderdeel van de grote kringlopen der elementen, in wezen een continu spel van opbouwen en afbreken van verbindingen. Van deze kringlopen is al het leven op aarde afhankelijk. De belangrijkste elementen zijn koolstof ©, stikstof (N), fosfor (P) en zwavel (S).
Deze elementen staan ook centraal bij het zuiveren van afvalwater. De hoofdcomponenten van huishoudelijk afvalwater, namelijk organisch materiaal en nutriënten als stikstof, fosfor en zwavel, zijn meestal afkomstig van deels verteerd voedsel, toiletpapier, wasmiddelen, etcetera. In afvalwaterzuiveringsinstallaties worden deze organische verbindingen afgebroken en deels teruggewonnen. Hierbij spelen bacteriën en zuurstof een hoofdrol.
Koolstof
De afbraak van organische afvalstoffen kan met en zonder zuurstof. Bij afbraak met zuurstof, ofwel aerobe stofwisseling, worden organische verbindingen geheel omgezet naar CO2. Micro-organismen kunnen ook zonder zuurstof afvalstoffen afbreken. In plaats van zuurstof gebruiken ze dan stoffen die zuurstof bevatten zoals sulfaat of nitraat. Deze stoffen zitten ook in afvalwater. Bij de omzetting van sulfaat en nitraat ontstaan respectievelijk sulfide en ammonium of stikstofgas .
Afbraak van organische afvalstoffen zonder zuurstof, sulfaat of nitraat (ook wel fermentatie genoemd) leidt tot de vorming van biogas een mengsel van methaan (CH4) en kooldioxide. Deze vorm van afbraak is een microbiologisch proces waarbij anaerobe bacteriën samenwerken met methanogene archaea, ook wel methanogenen genoemd. Vroeger werden archaea als archaebacteriën geclassificeerd maar tegenwoordig worden ze onderscheiden van bacteriën. De anaerobe bacteriën breken organische verbindingen eerst af naar acetaat, CO2 en H2. Acetaat wordt vervolgens door methanogenen omgezet naar CH4 en CO2, en CO2 wordt met waterstof omgezet naar CH4.
Bacteriën en archaea zijn in een vroeg stadium van de evolutie van elkaar afgescheiden, maar fysiologisch zijn ze van elkaar afhankelijk. Dat archaea methaan kunnen vormen staat sterk in de belangstelling. In de eerste plaats doordat methaan een heel sterk broeikasgas is, twintig keer sterker dan COc2. Daarnaast is methaanvorming ook een manier om organisch materiaal om te zetten naar biogas, zoals bijvoorbeeld bij mestvergisting en de vergisting van zuiveringsslib van waterzuiveringsinstallaties gebeurt.
Stikstof en sulfaat
Plantaardig materiaal bevat niet enkel koolstofwaterstofverbindingen, maar ook eiwitten waar relatief veel stikstof en zwavel in voorkomt. Bij de afbraak van plantaardige biomassa komen deze elementen vrij als ammonium (NH4+) en sulfide (S2–). Om anorganische stikstofverbindingen uit water te verwijderen kan gebruik worden gemaakt van nitrificatie en denitrificatie. Bij nitrificatie oxideren aerobe bacteriën het opgeloste ammonium naar nitraat (NO3–) en nitriet (NO2–), en bij de denitrificatie zetten anaerobe bacteriën nitraat en nitriet om naar stikstofgas N2. Voor het eerste proces is dus zuurstof nodig, het tweede proces verloopt zonder zuurstof maar heeft wel een hulpstof nodig, bijvoorbeeld de organische stof methanol (elektronendonor).
In Delft is bij Gist-brocades in de jaren negentig van de vorige eeuw een heel bijzonder microbiologisch proces ontdekt: Anammox, waarbij ammonium geoxideerd wordt met nitriet en waarbij N2 wordt gevormd. Dit proces is verder onderzocht aan de TU Delft en de Radboud Universiteit Nijmegen. De ontdekking van Anammox was heel belangrijk voor de afvalwaterzuivering omdat hierdoor minder zuurstof en geen extra organische stof nodig zijn om stikstof uit water te verwijderen.
Om sulfaat (SO42–) uit water te verwijderen kan men eerst sulfaatreducerende bacteriën aan het werk zetten, waarbij sulfide gevormd wordt. Sulfide kan dan gedeeltelijk geoxideerd worden naar elementair zwavel (S). Dat gebeurt wanneer sulfide-oxiderende bacteriën onvoldoende zuurstof krijgen om sulfide helemaal naar sulfaat te oxideren.