污水處理是一個系統性工程，水體中污染物的去除通常是多種機理共同作用的結果。
污水處理工藝分三級
一級處理：通過機械處理，如格柵、沉淀或氣浮，去除污水中所含的石塊、砂石和脂肪、油脂等。
二級處理：生物處理，污水中的污染物在微生物的作用下被降解和轉化為污泥。
三級處理：污水的深度處理，它包括營養物的去除和通過加氯、紫外輻射或臭氧技術對污水進行消毒。
可能根據處理的目標和水質的不同，有的污水處理過程并不是包含上述所有過程。
一級處理（機械處理）
機械(一級)處理工段包括格柵、沉砂池、初沉池等構筑物，以去除粗大顆粒和懸浮物為目的，處理的原理在于通過物理法實現固液分離，將污染物從污水中分離，這是普遍采用的污水處理方式。
機械(一級)處理是所有污水處理工藝流程必備工程(盡管有時有些工藝流程省去初沉池)，城市污水一級處理BOD5和SS的典型去除率分別為25%和50%。
在生物除磷脫氮型污水處理廠，一般不推薦曝氣沉砂池，以避免快速降解有機物的去除；
在原污水水質特性不利于除磷脫氮的情況下，初沉的設置與否以及設置方式需要根據水質特性的后續工藝加以仔細分析和考慮，以保證和改善除磷除脫氮等后續工藝的進水水質。
二級處理（生化處理）
污水生化處理屬于二級處理，以去除不可沉懸浮物和溶解性可生物降解有機物為主要目的，其工藝構成多種多樣，可分成生物膜法和活性污泥法（AB法、A/O法、A2/O法、SBR法、氧化溝法）穩定塘法、土地處理法等多種處理方法。
目前大多數城市污水處理廠都采用活性污泥法，小城市一般采用的是CRI法（人工快滲系統），另外在工業廢水方面還有一些其它的方法。生物處理的原理是通過生物作用，尤其是微生物的作用，完成有機物的分解和生物體的合成，將有機污染物轉變成無害的氣體產物(CO2)、液體產物(水)以及富含有機物的固體產物(微生物群體或稱生物污泥)；多余的生物污泥在沉淀池中經沉淀池固液分離，從凈化后的污水中除去。
影響微生物活性的因素
在污水生化處理過程中，影響微生物活性的因素可分為基質類和環境類兩大類。
基質類影響
包括營養物質，如以碳元素為主的有機化合物即碳源物質、氮源、磷源等營養物質、以及鐵、鋅、錳等微量元素；另外，還包括一些有毒有害化學物質如酚類、苯類等化合物、也包括一些重金屬離子如銅、鎘、鉛離子等。
環境類影響
溫度
溫度對微生物的影響是很廣泛的，盡管在高溫環境(50℃～70℃)和低溫環境(-5～0℃)中也活躍著某些類的細菌，但污水處理中絕大部分微生物最適宜生長的溫度范圍是20-30℃。在適宜的溫度范圍內，微生物的生理活動旺盛，其活性隨溫度的增高而增強，處理效果也越好。超出此范圍，微生物的活性變差，生物反應過程就會受影響。一般的，控制反應進程的最高和最低限值分別為35℃和10℃。
pH值
活性污泥系統微生物最適宜的PH值范圍是6.5-8.5，酸性或堿性過強的環境均不利于微生物的生存和生長，嚴重時會使污泥絮體遭到破壞，菌膠團解體，處理效果急劇惡化。
溶解氧
對好氧生物反應來說，保持混合液中一定濃度的溶解氧至關重要。當環境中的溶解氧高于0.3mg/l時，兼性菌和好氧菌都進行好氧呼吸；當溶解氧低于0.2-0.3mg/l接近于零時，兼性菌則轉入厭氧呼吸，絕大部分好氧菌基本停止呼吸，而有部分好氧菌(多數為絲狀菌)還可能生長良好，在系統中占據優勢后常導致污泥膨脹。一般的，曝氣池出口處的溶解氧以保持2mg/L左右為宜，過高則增加能耗，經濟上不合算。
在所有影響因素中，基質類因素和pH值決定于進水水質，對這些因素的控制，主要靠日常的監測和有關條例、法規的嚴格執行。對一般城市污水而言，這些因素大都不會構成太大的影響，各參數基本能維持在適當范圍內。溫度的變化與氣候有關，對于萬噸級的城市污水處理廠，特別是采用活性污泥工藝時，對溫度的控制難以實施，在經濟上和工程上都不是十分可行的。因此，一般是通過設計參數的適當選取來滿足不同溫度變化的處理要求，以達到處理目標。
因此，工藝控制的主要目標就落在活性污泥本身以及可通過調控手段來改變的環境因素上，控制的主要任務就是采取合適的措施，克服外界因素對活性污泥系統的影響，使其能持續穩定地發揮作用。
實現對生物反應系統的過程控制關鍵在于控制對象或控制參數的選取，而這又與處理工藝或處理目標密切相關。
前已述及溶解氧是生物反應類型和過程中一個非常重要的指示參數，它能直觀且比較迅速地反映出整個系統的運行狀況，運行管理方便，儀器、儀表的安裝及維護也較簡單，這也是近十年我國新建的污水處理廠基本都實現了溶解氧現場和在線監測的原因。
三級處理（深度處理）
三級處理是對水的深度處理，是繼二級處理以后的廢水處理過程，是污水最高處理措施。現在的我國的污水處理廠投入實際應用的并不多。它將經過二級處理的水進行脫氮、脫磷處理，用活性炭吸附法或反滲透法等去除水中的剩余污染物,并用臭氧或氯消毒殺滅細菌和病毒,然后將處理水送入中水道，作為沖洗廁所、噴灑街道、澆灌綠化帶、工業用水、防火等水源。
由此可見，污水處理工藝的作用僅僅是通過生物降解轉化作用和固液分離，在使污水得到凈化的同時將污染物富集到污泥中，包括一級處理工段產生的初沉污泥、二級處理工段產生的剩余活性污泥以及三級處理產生的化學污泥。
由于這些污泥含有大量的有機物和病原體，而且極易腐敗發臭，很容易造成二次污染，消除污染的任務尚未完成。
污泥必須經過一定的減容、減量和穩定化無害化處理井妥善處置。污泥處理處置的成功與否對污水廠有重要的影響，必須重視。如果污泥不進行處理，污泥將不得不隨處理后的出水排放，污水廠的凈化效果也就會被抵消掉。所以在實際的應用過程中，污水處理過程中的污泥處理也是相當關鍵的。
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