从本质上来说，污水处理只有两个方法：一种是分离，另一种是转化。
分离就是把污水中的一些污染物质从污水水体中分出来，基本就是4个方法，物理处理法、化学处理法、膜处理法。具体措施包括沉淀，絮凝，离心，气浮，吹脱等等，基本是物理化学方法。膜处理法的膜组件有机械筛分、截留等作用，实质就是起到过滤分离的效果。通常污水中的污染物如有机物经过初步分离处理已经可以去除大部分了，要求不高达到低级的排放标准就可以直接排放了。这就是所谓的一级处理。
有些污染物是没法有效分离的，比如溶解性的有机物（尿素、淀粉、糖类、脂肪、蛋白质及洗涤剂等），氨氮（游离氨、离子状态铵盐），磷酸盐存在（有机磷、无机磷），此时就需要将它们转化为无害的物质，或者是易于分离的物质。污水处理中最主要的生化工艺，实质就是转化。例如通过将有机物转化为二氧化碳（基本无害，气体可易于和水体分离）和生物代谢污泥（有害，但是也容易沉淀分离）去除溶解性有机物。这就是所谓的二级处理。转化的手段还有很多种，比如各种高级氧化，酸碱中和等等。例如氰化物污水，就只能通过双氧水强氧化打破C-N键，使其无害化。还有破乳、芬顿氧化都是为了下一步方便转化，而实施的专业步骤。统生活污水厂的流程通常是粗细格栅、初级沉淀、生化处理、二级沉淀、消毒。由上面的分类就知道，格栅、沉淀、二沉分离，生化、消毒是转化。这种分置式的工艺，虽然稳定易行，但是占地面积大，建设成本高，水力停留时间HRT长（可以理解为构筑物容积大占地大）
现在新技术越来越倾向于将分离和转化合到一套系统中去降低成本和提高效率，比如膜生物处理工艺（MBR），就是将生化工艺和初沉二沉合并到一个池，这样显然占地面积大幅降低了。虽然膜工艺的成本现在还是比较高，但随着技术的进步，成本会越来越低，也会越来越流行。——这就是主营膜处理的公司估值比一般的水处理公司高的原因。上面污水中的污染物，最后大部分是变成污泥（成分复杂含有氨氮、磷、重金属）。这实际上是一种污染转移，然而生物污泥的处理难度和成本远远高于污水处理。对这些污泥，现在常见做法都是掩埋，但是大城市很快就没地方埋了，到最后解决不了只能烧，掺燃料烧。成本极高，但是没办法。如何低成本地解决污水处理中产生的污泥，才是如今污水处理行业最大的挑战，同时也是我们水环境工程研究者的一个机会。
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