Bùn hoạt tính là dạng huyền phù của các vi sinh vật trong nước thải dưới dạng các búi nhỏ màu nâu thẫm, có kích thước từ vài chục đến vài trăm Micromet. Bùn hoạt tính gồm các vi sinh vật có thành phần như vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, các nguyên sinh động vật (protozoa), các loài giả túc… liên kết với nhau bởi các chất nhầy có thành phần là polyme ngoại bào, bởi các tương tác hóa học với các cation hóa trị 2 như Ca2+. Các vi khuẩn tự do protozoa và các động vật cao hơn sống xen kẽ trong các lớp nước giữa các bông bùn. Khi ta quan sát dưới kính hiển vi thì nhận thấy nó bao gồm 70% là cơ thể sinh vật sống đó, chính là vi sinh xử lý nước thải và khoảng 30% là chất vô cơ. Cơ thể sinh vật sống cùng với các chất vô cơ quện vào nhau tạo thành dạng keo tụ - một quần thể sinh vật được bao bọc bởi một màn nhầy xung quanh.
Thông thường các vi sinh vật trong bùn hoạt tính được tích tụ và phát triển thành những vi sinh vật có sẵn trong nguồn nước thải hay được du nhập từ đất và không khí xung quanh hệ thống xử lý. Quá trình chọn lọc tự nhiên diễn ra khá phức tạp và cần nhiều thời gian mới có thể tạo ra một quần thể sinh vật bùn hoạt tính thích hợp.
Theo Bukov (1987) và một số tác giả khác thì trong bùn hoạt tính thì có rất nhiều vi khuân sinh vật khác như: Arthrobavter, Bacterium, corynebacterium, Desulfotomacullum, Jlavobacterium, Micrococcus, Mycobacterium, Nocadia, Pseudomonas, Sacinar, Steptomyces, Zoogloea. Hai vi khuẩn chuyển hóa amon là Nitrosommonas và Nitrobacter

Sơ đồ chọn lọc vi sinh vật trong vùng hoạt tính
Hydrocacbon thơm và các chất khác. Một nhóm khác cũng tiêu biểu trong bùn hoạt tính là chi Bacterium (Trên 30 loài). Chúng thực hiện quá trình phân hủy dầu hay còn gọi là xử lý dầu mỡ. Những vi sinh vật này được nghiên cứu và ứng dụng vào việc thông tắc bồn rửa bát khi gặp xự cố tắc đường ống thoát nước do dầu mỡ và các chất hữu cơ gây ra. Chúng thực hiện quá trình phân hủy dầu, paraphin, naften, phenol, anhydrit và các axit béo. Các loài của chi Bacterium, có thể oxy hóa các hydrocacbon mạch thẳng.

Các vi sinh vật thường gặp trong bùn hoạt tính
Các loài thuộc chi Pseudomanas trong thực tế oxy hóa các chất mạnh hơn các chi khác trong điều kiện hiếu khí. Một số vi khuẩn khác thường thấy trong bùn hoạt tính của các hệ xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính hiếu khí. Tuy vậy, việc nhận thức chức năng của các chi này trong nước thải còn nhiều hạn chế. Các loài nấm mốc và nấm men cũng thường có mặt trong bùn hoạt tính trong điều kiện có lượng đường hoặc các chất hữu cơ cao và pH thấp.
Một yếu tố khá quan trọng trong quá trình làm sạch nước thải là sự có mặt của các loài động vật nguyên sinh (protozoa) có trong bùn hoạt tính. Do có thành phần vi sinh vật phong phú nên bùn hoạt tính có thể oxy hóa đồng thời nhiều hợp chất cacbon hữu cơ khác nhau ở dạng hòa tan hay lơ lửng (Kể cả các chất rắn) thành các chất khí bay lên, nước và sinh khối vi sinh vật. Nếu sinh khối chưa được tách ra khỏi nước thì quá trình xử lý nước thải chưa hoàn thành bởi các sinh khối là các chất hữu cơ và sẽ đóng vai trò ô nhiễm thứ cấp.