废水中的污染物千奇百怪。街道上的泥沙，家庭里的油脂、排泄物，工厂的工艺废液等都可能出现在废水中。不同的污染物类型对应着不同指标。例如污水中的油脂、有机物质影响 COD（化学需氧量）；不溶性悬浮固体颗粒影响着 SS；氮磷等营养元素影响着 TN、TP、 NO3-N 等。我们的废水排放国家标准，对这些污染物都有着极为严格的要求。化学方法很难除去污水中的油脂、物理方法很难除去氮磷等会导致水体富营养化的污染物、生物方法很难除去悬浮的固体颗粒。因此，现今废水处理都是通过多种方法相结合来实现最终目的。我国城镇污水处理厂污染物排放标准 （GB18918-2002）
污水处理厂有不同的操作单元来除去上述的这些污染物。只有这些单元相互配合才能较完整地去除污水中的不同污染物。
下图展示了某个污水处理厂的工艺流程图（再下一张图为简易版）。
污水处理厂简易流程图
废水从下部，经由泵站被泵入整个体系。废水先经过了物理筛分除去大固体杂质；再经过沉砂池，除去泥沙等小型固体颗粒；之后进行一次沉降，除去易沉降的固体颗粒。到目前为止所进行的都为物理分离方法。之后，经初步处理的废水会进入活性淤泥池，经曝气及厌氧处理后，淤泥中的各类微生物会吸收降解废水中的有机污染物、氨氮等。经微生物处理后，依据要求不同，会选择性的使用沉淀剂、絮凝剂，进一步去除水中的悬浮杂质、磷等污染物。最后经澄清池沉降分离，得到污染较小的废水。上图可能比较难看懂，下图更为直观。没有相关背景的人可以看下图。由于不同污水处理厂工艺的不同，具体单元设置可能有些许区别，但原理都是相近的。污水处理厂流程示意图（来源：网络）
最传统的污水处理厂需要包括至少以下六个操作环节。每个操作环节能够去除的污染物以及对应的工作原理也列在了下表。接下来几节，我们就分别按照物理、化学、生物的顺序，各举一个例子来简要介绍一下废水处理方法的原理。
沉降的原理十分简单，就是利用固体颗粒与水的密度差，使得固体颗粒在水相中不断下沉。这个过程有两个重要的操作参数：沉降速度及废水的流动速度。我们需要满足固体颗粒能够在废水流经沉降池过程内，尽可能多的被沉降。上图是一个简单的沉淀池示意图。固体颗粒沉降后会汇集到左下漏斗状部分，形成淤泥。淤泥可以通过进一步的处理制成沼气及其他资源。沉降后的废水则通过右边的挡板流入下一个单元。
基于化学的絮凝沉淀主要用于除去含磷污染物及无法沉降的悬浮颗粒。最常用的絮凝剂为铁盐、铝盐。
这四种最为常用。这些金属盐在废水中会与磷酸盐结合形成沉淀。形成沉淀后，再通过紧随的沉降步骤将废水与污染物分离。同时这些金属盐会形成胶体。胶体粒子在废水中会通过静电力及范德华力吸附其他污染物共同聚沉脱稳。化学絮凝过程有时对某些生物大分子（如腐殖酸）有着极高的去除效率。我的本科毕业论文研究的内容便是“絮凝过程中胶体粒子对药物微污染物的去除”。胶体粒子的双电层模型 （来源：Wikipedia）如果对这方面有兴趣，可以查阅一下“双电层模型”、“ζ-电势”等。
活性污泥法可谓是废水处理的核心环节。其主要的职能为去除 COD（化学需氧量）及TN（总氮）。活性污泥反应池中的工人便是活性污泥中的微生物。显微镜下的活性污泥
（黄色区域为活性污泥，黑色部分为附着在污泥上的各类微生物）
COD 主要来源于废水中的有机物。COD 的去除主要是由于“活性污泥中的微生物在有氧条件下以废水中的有机物作为碳源供能”，最后转化为水和二氧化碳等物质。TN 的去除比较有趣，主要涉及到如下两个生化反应：其中，硝化需在有氧环境下进行，脱硝需要在厌氧环境下进行。因此为了能够同时满足去除硝酸盐和氨氮的需求，常将活性污泥反应池设计为如下的形式：灰色方块部分为厌氧脱硝，蓝色方块为好氧硝化。Internal Recycle （内部循环）的存在可以有效地将“后半部好氧硝化”产生的硝酸盐重新导入“厌氧脱硝”部分，尽可能的减少出水的总氮含量。
至此，我们将废水处理的目的、标准以及一些基本单元操作进行了简要介绍。最后分别选取了物理、化学、生物三种原理的各一例来说明“为何废水处理是理化生多种处理方法的结合”。实际上这里列出的方法只是最为基本的单元操作。随着污染物种类的增多，各种针对不同新型污染物的新工艺也十分多，例如：MBR、Bio-P、SBR 工艺等。
