A matéria orgânica é estabilizada biologicamente pela ação de organismos aeróbios que apresentam capacidade de aderência a um meio suporte inerte (pedras e plástico). Os esgotos são aplicados na superfície do filtro biológico e escoam, em sentido descendente, através dos espaços vazios existentes no meio suporte. Segundo a trajetória percorrida, os esgotos entram em contato com a biomassa aderida (biofilme), sendo a parcela solúvel da matéria orgânica decomposta aerobicamente. O biofilme aderido ao meio suporte cresce à medida que o oxigênio (gradiente de temperatura entre o interior do reator e ambiente externo) e o substrato orgânico são disponibilizados. A indisponibilidade de oxigênio e de substrato para os organismos inicialmente estabelecidos no biofilme causa o seu desprendimento do meio suporte e a formação do floco biológico para posterior remoção no decantador secundário. O processo de filtração biológica aeróbia deve ser precedido de tratamento primário.

A unidade de filtração biológica aeróbia do CESA/UFRJ é dotado de um filtro percolador de seção quadrada, com lado de 1,0 m, profundidade de 3,0 m, estruturado em fibra de vidro e recheado com diferentes meios suporte em material plástico. A unidade é dotada de elevatória para a manutenção da taxa de aplicação hidráulica. A decantação secundária ocorre em um módulo de características idênticas aos decantadores primários.