生物膜（Biofilm）是通過附著而固定于特定載體上的結構復雜的微生物共生體。相對于活性污泥來說，在單位體積生物膜中所含的微生物數量更高、比表面積更大。生物膜比活性污泥具有更強的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解污水中的各種污染物，具有速度快、效率高的特點。在使用生物膜法處理污水時，要求在處理系統的構筑物中裝填一定數量的填料，這些填料一方面可以擴大處理系統的比表面積，另一方面為微生物提供附著固定的載體。生物膜處理系統的性能、效率取決于其中微生物活性的高低和所裝填料的多少及其比表面積。一般來說，生物膜法較多應用于特殊行業的廢水處理中，如印染廢水等。
根據生物膜法處理系統中所用的填料的不同，生物膜法又可以分為以下幾種類型：
滴濾系統（Trickling filter system）
該系統是一種簡單且相對便宜的膜式好氧處理裝置。在該處理系統中，通過轉動的柵欄噴淋裝置將污水均勻分布于多孔處理床（例如由石子等鋪成）上。在多孔處理床上可生長多種微生物群落和原生動物。當污水緩慢地流過處理床時，微生物就吸收并降解了其中的有機成分，使得污水得到處理。在這樣的處理系統中，天然形成了食物鏈，微生物利用有機物生長繁殖，原生動物等以微生物為食，從而維持在一個動態平衡中。如果污水中的營養（BOD）過高，就會導致微生物的過量生長繁殖從而引起多孔處理床的堵塞，這樣便會降低處理效果。
旋轉生物接觸氧化系統（Rotating Biological Contactor，RBC）或生物轉盤
在這樣的處理系統中，一系列圓盤結構裝置部分浸沒于污水中，部分在空氣中并不斷地旋轉，這樣便保持了良好的通氣效果及與污水的接觸，從而在圓盤上形成了“生物膜"。這樣的“生物膜"是由各種微生物、原生動物等構成的微生物群落。在掃描電鏡下，典型的生物轉盤的“生物膜"有兩層結構，外層主要由絲狀菌等好氧微生物組成，內層由包括脫硫弧菌在內的厭氧微生物構成。因此這樣的“生物膜"具有去除BOD及無機物（主要是硫酸鹽）的功能。生物轉盤處理系統與滴濾系統相比，具有占地少、效率高、運行穩定等優點，但其前期投資較大。這種系統已經成功地用于處理城市污水和各種工業廢水。
流化床反應器（Fluidized Bed Reactor，FBR）
由于污水的泵入或曝氣（空氣或氧氣）作用，流化床反應器中的載體物質（浮石、砂子、塑料等）會在反應器中不斷流動，因而得名。在這種系統中，由下向上進入的廢水的流速或曝氣的程度被控制在足以使載體流動不互相接觸，但又不能破壞“生物膜"結構的程度。該系統的zui大優點是載體的比表面積被充分利用，但能耗較高，運行成本也相對較高。該系統可用于BOD的去除，也可以用于廢水中硝酸鹽的處理。
