典型的城市汙水處理工藝流程主要包括機械處理、生化處理、汙泥處理等工段。有機械處理以及生化處理構成的系統屬於二級處理系統，其中B O D 5和SS去除率可達90%-98%。處理效果介於一級和二級處理中間的一般稱為強化一級處理、一級半處理或不完全二級處理，主要有高負荷生物處理法和化學處理法兩大類，B O D 5去除率達45%-75%。具有生物除磷脫氮功能的二級處理系統通常稱為深度二級處理。為了除特定的物質，在二級處理之後設置的處理系統屬於三級處理，例如化學除磷，活性炭吸附等。
從汙水處理的角度，汙染物可分為懸浮固體汙染物、有機汙染物、有毒物質、汙染生物和汙染營養物質。城市汙水中含有的大量有機物排入水體，會使水體中溶解氧的含量降低，甚至達到缺氧狀態，嚴重汙染水體，使水中魚類無法生存。汙水中有機物濃度一般用生物化學需氧量(B O D 5)、化學需氧量(COD)、總需氧量(TOD)和總有機碳(T O C)來表示。營養物質主要指氮、磷，其可使藻類和浮游生物繁殖，形成"水華"和"赤潮"。
汙水處理方法可根據水質類型分為物理處理法、生物處理法、汙水處理產生的汙泥處置及化學處理法，還可根據處理程度分為一級處理、二級處理及三級處理等工藝流程。城市汙水的物理處理方法是利用物理作用分離和去除汙水中汙染物質的方法。常用方法有篩濾截留、重力分離、離心分離等，相應處理設備主要有格柵、沉砂池、沉澱池及離心機氧其中沉澱池同城鎮給水處理中的沉澱池。生物處理法是利用微生物的代謝作用，去除汙水中有機物質的方法。常用的有活性汙泥法、生物膜法等，還有氧化塘及汙水土地處理法。化學處理法在城市汙水處理中使用較少，一般涉及城市給水處理中的其他化學方法如中和氧化還原、離子交換、電解主要用於工業廢水處理，很少用於城市汙水處理。汙泥需處理才能防止二次汙染，其處置方法常有濃縮、厭氧消化、脫水及熱處理等。一級處理主要針對水中懸浮物質，常採用物理的方法，經過一級處理後，汙水懸浮物去除可達40％左右，附著於懸浮物的有機物也可去除30％左右；二級處理主要去除汙水中呈膠體和溶解狀態的有機汙染物質。通常採用的方法是微生物處理法，具體方式有活性汙泥法和生物膜法。生物處理就是利用微生物分解氧化有機物的這一功能，並採取一定的人工措施，創造有利於微生物生長、繁殖的環境，使微生物大量繁殖，以提高其分解氧化有機物效率。汙水經過一級處理以後，已經去除了漂浮物和部分懸浮物，B O D 5的去除率約25％～30％。經過二級處理後，BOD5去除率可達90％以上，二沉池出水能達標排放。活性汙泥處理系統，在當前汙水處理領域，是應用最為廣泛的處理技術之一，曝氣池是其反應器。汙水與汙泥在曝氣池中混合，汙泥中的微生物將汙水中複雜的有機物降解，並用釋放出的能量來實現微生物本身的繁殖和運動等。
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