Ως Δευτεροβάθμια επεξεργασία νοείται η προχωρημένη επεξεργασία λυμάτων η οποία οδηγεί σε απομάκρυνση οργανικού άνθρακα, αζώτου και μερικές φορές και φωσφόρου (αναλόγως της εγκατάστασης). Κατά την δευτεροβάθμια επεξεργασία παρέχεται οξυγόνο στους μικροοργανισμούς, ώστε αυτοί να οξειδώσουν τον οργανικό άνθρακα σε CO2 μέσω της διαδικασίας της αναπνοής, ενώ ταυτόχρονα τα αμμωνιακά ιόντα (NH4+) οξειδώνονται σε νιτρώδη (ΝΟ2-) και, στη συνέχεια, σε νιτρικά (ΝΟ3-). Σε κάποιο τμήμα του αντιδραστήρα, όπου η συγκέντρωση του οξυγόνου είναι μηδενική, τα νιτρικά μετατρέπονται σε αέριο άζωτο (Ν2) το οποίο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Έτσι, επιτυγχάνεται η απομάκρυνση οργανικού άνθρακα και αζώτου από τα λύματα.