Beim Belebtschlammverfahren wird das zu behandedelnde Abwasser in belüfteten Becken durch Mikroorganisman oxidativ abgebaut. Unter Nutzung von Sauerstoff oxidieren bakterielle
Kohlenstoffverbindungen zu Kohlendioxid und werden teilweise als Biomasse assimiliert. Zudem wird der Stickstoff aus den organischen Verbindungen zunächst als Ammoniak abgespalten und dieses mit Sauerstoff zu Nitrat oxidiert (Nitrifikation). Bei den flockig zusammengelagerten Bakterien spricht man von Belebtschlamm. Durch die Zugabe von Fällmitteln kann mittels chemischer Reaktionen außerdem der Nährstoff Phosphor entfernt werden, ggf. durch Simultanfällung. Dies verbessert auch die Absetzeigenschaften des Belebtschlammes im Nachklärbecken. Voraussetzung für eine erfolgreiche Abwasserklärung ist eine für Mikroorganismen ausreichende Nährstoffkombination ohne toxische oder hemmenden Stoffe. Wird die Trennung von geklärtem Abwasser und Belebtschlam nicht in einer Nachklärung, sondern durch ein direkt in das Belebungsbecken eingetauchtes oder trocken aufgestelltes Membranfiltrationsmodul realisiert, so spricht man vom MBR (= MembranBioReaktor)-Verfahren. Vorteile dieses Verfahrens sind die weitgehende Abwesenheit von Keimen und Viren im Kläranlagenablauf (Wasserqualität genügt der EU-Badegewässerrichtlinie), die kompakte Bauform (da die Belebtschlammkonzentration im Becken höher ist als bei herkömmlichen Verfahren und auf eine Nachklärung vollständig verzichtet werden kann) ,sowie die Unempfindlichkeit gegen Störfälle und Stoßbelastung.
Aufgrund der kompakten Bauform können Anlagen auch vollständig mobil in Containerbauweise, für zeitlich befristete Einsätze, z. B. in Baucamps oder Feldlagern, betrieben und wiederverwendet werden. Auch für die biologische Reinigung hochbelasteter industrieller Abwässer ist das MBR-Verfahren geeignet, da die Biomasse komplett im Reaktor zurückgehalten wird und sich so eine hoch spezialisierte Biozönose ausbilden kann, mit welcher sehr gute Abbauleistungen erzielt werden können. Der Ablauf einer MBR-Anlage ist hygienisiert und somit hervorragend geeignet für die innerbetriebliche Verwendung als Brauchwasser oder für die weitere Aufbereitung zu Trinkwasser in niederschlagsarmen Gebieten.