Предлагается математическая модель процесса биологической очисткм сточных вод в аэротенке на основе естественных балансовых соотношений. Модель, задаваемая системой нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, носит достаточно общий характер: функции, описывающие процесс окисления и входные потоки, не конкретизируются. Найдено инвариантное множество и доказана его асимптотическая глобальная устойчивость. На основании предложенной модели, разработан метод стабилизации процесса биоочистки при нестационарном, кусочно постоянном, входном потоке загрязнений.