一般来说，由于水质呈逐级变化的趋势和微生物生长环境条件的改善，生物膜系统存在的微生物种类和数量均比活性污泥工艺多，食物链长且较为复杂，尤其是丝状菌、原生动物和后生动物种类增加较多，而且还有一定比例的厌氧菌和兼性菌。在日光照射到的部位能够出现藻类，还能够出现滤池蝇这样的昆虫类生物。在分布方面的特点是沿生物膜厚度或进水流向，微生物的种类和数量呈现出较大差异。在多级处理的一级或下向流填料层的上部，生物膜往往以菌胶团细菌为主，膜厚度亦较大（2-3mm）；随着级数的增加或下向流填料层的下部，由于其接触到的水质已经经过部分处理，生物膜中会逐渐出现较多的丝状菌、原生动物和后生动物；微生物的种类不断增多，但生物膜的厚度却在不断减薄(1-2mm)。生物膜的表层的微生物都是好氧性的，而随着厚度的加大，微生物逐渐变成兼性乃至厌氧性。

　　生物膜固着在滤料或填料上，生物固体停留时间SRT（泥龄）较长，因此能够生长世代时间长、增殖速度很小的微生物，如硝化菌等。在生物膜上还可能出现大量丝状菌，但不会出现污泥膨胀。和活性污泥法相比，生物膜上的生物中动物性营养者比例较大，微型动物的存活率也较高，能够栖息高营养水平生物，在捕食性纤毛虫、轮虫类、线虫类之上还栖息着寡毛类和昆虫。因此，生物膜上的食物链要比活性污泥中的食物链长，这也是生物膜法产生的污泥量少于活性污泥法的原因。

　　由于废水水质的不同，每级或每层填料上的特征微生物也会不同，即水质的变化会引起生物膜中微生物种类和数量的变化。在进水浓度增高时，可以观察到原有层次的特征性微生物下移的现象，即原先在前级或上层填料上的微生物可在后级或下层填料上出现。因此，通过生物相观察发现这样类似的变化来推断废水浓度或污泥负荷的变化。