现代城市污水处理，包含众多的污水处理工艺和设备，按照处理程度划分，可分为一级物理处理、一级强化处理、二级生物处理、三级处理和污泥处理。
一、一级物理处理
利用物理作用分离污水中呈悬浮状态的固体物质。主要污水处理设备有格栅、破碎机、沉砂池、沉淀池等。经过一级处理后的污水，BOD的去除率一般为20%-30%左右，SS降低50%左右。
格栅
二、一级强化处理
一级强化处理也成为化学处理或者物理化学处理，利用化学反应的作用分离污水中各种形态的污染物。
1.水解工艺
水解池全称为水解升流式污泥床反应器。在废水生物处理中，水解指的是有机物进入细胞前，在胞外进行的生物化学反应。这一阶段最为典型的特征是生物反应的场所发生在细胞外，微生物通过释放胞外自由酶或连接在细胞外壁上的固定酶来完成生物催化氧化反应(主要包括大分子物质的断链和水溶)。
从原理上讲，水解(酸化)是厌氧消化过程的第一、二两个阶段，但水解(酸化)工艺和厌氧消化追求的目标不同，因此是截然不同的处理方法。水解(酸化)系统中的的目的主要是将原水中的非溶解态有机物转变为溶解态有机物，特别是工业废水处理，主要是将其中难生物降解物质转变为易生物降解物质，提高废水的可生化性，以利于后续的好氧生物处理。考虑到后续好氧处理的能耗问题，水解(酸化)主要用于低浓度难降解废水的预处理。
图4 水解酸化池
2.化学一级强化处理
化学一级强化处理使用高效廉价混凝剂，使BOD、COD去除达50%以上，SS去除达80%以上。一般当采用无机混凝剂与PAM复配时，药剂用量明显降低。有机絮凝剂存在最佳投药量，而且对COD的去除强化效果优于无机混凝剂。当采用两种药品时先投加一种，1min后再投加第二种。
3.预曝气一级强化处理
污水进行预曝气，促进悬浮物互相碰撞絮凝，改善悬浮物的沉降性能。研究表明，如果在污水预曝气时加入适量的剩余污泥，即进行生物絮凝曝气，再最佳曝气时间下，可提高SS去除率至80%，BOD去除率至30%。
三、二级生物处理
二级生物处理是在人为造成的厌氧、兼氧、好氧环境中，利用微生物的新陈代谢作用，对污水中的污染物质进行转化和稳定化处理。因其处理污水的费用低廉，运行管理方便，这种工艺已经广泛作为城市污水处理的主工艺。
在当前的污水处理技术领域，生物处理主要可分为以下几种：活性污泥法、生物膜法、污水的自然生物处理。
(一)活性污泥法
当今城市污水处理主要采用的是活性污泥法、它具有处理效果好、出水水质稳定、运行经验丰富等优点。如A/O工艺(包括A/O、A2/O工艺)、氧化沟工艺(包括Orbal氧化沟、Carrousel氧化沟以及三沟氧化沟)、SBR工艺等。
活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理有机废水的方法。生物絮体活性污泥包括细菌、真菌、原生动物和后生动物及其代谢和吸附的有机物、无机物，具有降解有机污染物的能力。一般来说活性污泥净化污水主要分为以下几个过程：
(1)吸附 废水与活性污泥微生物接触后，形成悬浮混合液，废水中的污染物被比表面积以及表面含有多糖类黏性物质的微生物吸附或粘连。呈胶状的大分子有机物被水解酶分解为小分子物质。这些小分子与溶解性有机物在透膜酶的作用下或浓度差的作用下选择性渗透进入细胞体内。微生物的初期吸附过程十分迅速，一般约为10-30min左右，该过程BOD可降低80%左右。
(2)微生物的代谢 污染物进入细胞体内之后，有机微生物的代谢左右，一部分的有机物经中间产物后转化为CO2和H2O，另一部分则转化为细胞中的有机体，成为微生物的一部分。
(3)凝聚与沉淀 絮凝体是活性污泥的基本结构，水中能形成絮凝体的微生物有很多，由于他们的凝聚性能可形成菌胶团。菌胶团对于废水中微生物的去除具有重要的意义。
活性污泥法处理有机废水主要工艺流程：
(二)生物膜法
活性污泥法也存在投资高、占地大、能耗大、运行费用高等缺点。近年来，生物膜法得到快速的发展，由于其具有以下优势而能够部分取代活性污泥法：
(1)微生物多样化 生物膜工艺适于微生物生长，不会产生污泥膨胀，无需污泥回流，方便管理;
(2)微生物量多 单位体积内的微生物量可高达活性污泥法的5-20倍;
(3)能生长硝化菌;
(4)对水质、水量的变动有较强的适应性，低温下也能保持良好的变化功能;
(5)易于固液分离，污泥产量少;
(6)能够处理低浓度废水，活性污泥法在处理低浓度废水时由于营养不足使得处理水质低下;
(7)动力费用低，占地面积小。
生物膜法处理污水主要工艺流程：
(三)污水的自然生物处理
污水自然处理主要是依靠自然的净化能力进行污水处理的方法。污水自然处理必须考虑对周围环境以及水体的影响，不能降低周围环境的质量。污水的自然主要主要有：好氧稳定塘、兼性稳定塘、厌氧稳定塘、曝气稳定塘等。
在稳定塘塘水中存活并对污水起净化作用的生物有：细菌、藻类、微型动物(原生动物与后生动物)、水生植物及其他水生动物。
污水自然处理案例：
肯尼亚蒙内铁路新建污水贮存塘