Nước thải có nhiều nguồn gốc phát sinh, được thải ra từ sinh hoạt của con người hay trong quá trình sản xuất, công nghiệp.
Trong nhiều trường hợp, mỗi loại nước thải có một khu hệ vi sinh vật đặc trưng. Nước thải sinh hoạt chứa phân, nước rửa, tắm giặt, thức ăn thừa ... chứa rất nhiều vi khuẩn , trung bình từ vài triệu đến vài chục triệu cá thể trong 1ml. Trong đó chủ yếu là:
- Vi khuẩn gây thối như Pseudomonas fluorescens, P. aeruginosa, Proteur vulgaris, Bac.cereur, Bac.subtilis, Enterobacter cloacae ...
- Đại diện của các nhóm khác như vi khuẩn phân giải đường, tinh bột, cellulose, urea...
- Các vi khuẩn thuộc nhóm Corliform, là vi sinh vật chỉ thị cho mức độ ô nhiễm phân trong nước ở mức độ cao, có thể dao động từ vài nghìn đến vài trăm nghìn cá thể trong 1ml nước thải.
- Một đại diện khác là vi khuẩn Sphaerotilus natans, thường hay bị nhầm là "nấm nước thải", thường được thấy có trong nước thải của các nhà máy cellulose và thực phẩm. Chỉ thị cho nước thải giàu oxygen, khi nó phát triển mạnh mẽ sẽ dẫn đến thiếu oxy trầm trọng.
- Bên cạnh vi khuẩn, trong nước thải giàu chất hữu cơ cũng có chứa nhiều loại nấm men. Có thể dao động từ vài ngàn đến vài chục ngàn tế bào nấm men trong 1ml. Phổ biến nhất là đại diện của Saccharomyces, kế là Candida, Cryptococcus, Rhodotorula.
- Trong nước thải sinh hoạt cũng chứa nhiều bào tử cà sợi nấm mốc. Nấm mốc tiêu biểu là Leptomitus lacteus, Fusarium aquaeducteum.
- Một số nước thải cũng phát hiện nhiều vi khuẩn phản nitrat hoá như Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans; vi khuẩn sinh methane (CH4) ...
- Trong nước thải chứa dầu, người ta cũng tìm thấy các vi khuẩn phân giải hydrocarbon như Pseudomonas, Nocardia ...
- Trong nước thải có thể còn có một tập hợp khá đông đúc các loài tảo (Alage), gồm khoảng 15.000 loài. Chúng thuộc Tảo silic(Bacillariophyta), Tảo lục (Chlorophyta), Tảo giáp (Pyrrophyta)...
