预处理工艺之后，煤化工废水进入生化处理阶段。生化处理是煤化工废水处理的主体和核心工艺。生化处理的原理是利用微生物新陈代谢，去除水中污染物质。生化处理方法主要有活性污泥法、A/O和A2/O法、厌氧工艺、SBR 工艺、好氧生物膜法及工程菌技术等。
1) 活性污泥法。活性污泥法是煤化工废水处理领域***早采用的生物处理技术。传统活性污泥法对COD、SCN-和挥发酚的去除效果较好，但由于传统工艺污泥浓度低，对氨氮和有机氮的一般去除效果并不理想。但有实验表明，提高水力停留时间可以使活性污泥工艺具有硝化功能，进而提高氮但去除率;投***末活性炭可以提高了污泥浓度，从而提高废水的生化处理效果。
2) A/O和A2/O法。A/O和A2/O法是生化处理废水的一项新突破，是缺氧和好氧结合的生物处理技术。A/O法原理是通过A 段( 反硝化菌，将***和亚***转化为氮气)和O 段(硝化菌，将氨氮转化为***和亚***) 的共同作用去除煤化工废水中氨氮。A2/O 是在A/O工艺基础上在***前端加入厌氧工艺，其处理效果更佳而成本也随之增加，但据相关研究显示，采用A/O和A2/O 生物膜工艺处理煤化工废水，BOD5、COD和NH3-N 的去除率皆在90%以上，且A2/O对有机物去除效果更优于A/O法。