Si les prétraitements font appel à des procédés physiques, le traitement secondaire est une épuration biologique.

C'est lors de ce traitement que s'élimine l'essentiel des agents polluants dans les eaux usées à savoir l'élimination de la pollution carbonée biodégradable.

Il consiste à mettre en contact l'eau usée avec une biomasse épuratrice qui est en fait un écosystème simplifié et sélectionné ne faisant appel qu'à des micro-organismes. Elle est constituée d'être vivants de petite taille, inférieure au millimètre, microflore de bactéries et microfaune d'animaux, protozoaires, ...

La dégradation se réalise alors par voie aérobie (en présence d'oxygène), elle consiste à dégager les impuretés grâce à l'action de la biomasse dont les bactéries digèrent la matière organique à condition de régler l'oxygène dissous dans l'eau et la concentration de la biomasse.

Pour ce faire, on utilise en STEP pour E.R.U. (eaux résiduelles urbaines) le système des boues activées qui est une reconstitution industrielle du phénomène d'auto-épuration naturelle ; elle en diffère par une plus grande vitesse de réaction. On provoque le développement d'une culture bactérienne libre sous forme de flocons dans un bassin brassé et aéré et alimenté en eau à épurer. Le brassage a pour but d'éviter les dépôts et d'homogénéiser le mélange des flocs bactériens et de l'eau usée ; l'aération qui se fait à partir de l'oxygène de l'air a pour but de dissoudre cet oxygène dans l'eau et de répondre ainsi aux besoins des bactéries épuratrices aérobies.

Le temps de contact eau usée-biomasse est de l'ordre de 6 à 10 heures. Une équation simplifiée du traitement secondaire peut s'écrire :

eau usée + biomasse + oxygène eau épurée + accroissement de la biomasse + gaz.