El objetivo de este documento es proponer modelos matemáticos para predecir y optimizar el costo del tratamiento de aguas residuales utilizando bacterias y oxígeno bajo condiciones de recursos y cultivo fluctuantes. Así, hemos desarrollado modelos matemáticos deterministas basados en sistemas dinámicos y aplicado la teoría del control óptimo para reducir los costos de tratamiento. Se proponen dos modelos de tratamiento de aguas residuales: uno que utiliza solo un tipo de bacteria aeróbica, bacterias termófilas; y el segundo que utiliza dos tipos de bacterias aeróbicas, bacterias termófilas y mesófilas. Para cada modelo, se resuelve un problema de control óptimo y las simulaciones numéricas ilustran los resultados teóricos.