Ścieki oczyszczane są w trakcie trzech etapów: oczyszczania mechanicznego, oczyszczania biologicznego i oczyszczania chemicznego. Pierwszy etap (oczyszczanie mechaniczne) eliminuje wszystkie ciała stałe, nierozpuszczalne zawieszone w wodzie. w oczyszczalniach mechanicznych zachodzą procesy cedzenia, następnie filtrowania, sedymentacji i flotacji. Oczyszczalnie pierwszego stopnia wyodrębniają ze ścieków zanieczyszczenia w postaci ciał stałych (skratki). Zaliczamy do nich ziemię, piasek, zawiesiny opadające (sedymentacyjne) i wznoszące (flotujące), czyli np. oleje. W czasie oczyszczania pierwszego stopnia stosuje się tzw. Odświeżanie ścieków. Polega ono na ich napowietrzaniu w trakcie przepuszczania przez kanały dopływowe i piaskowniki. Napowietrzanie może odbywać się także w osadnikach wstępnych lub w innych specjalnych zbiornikach. Jeśli zachodzi potrzeba stosuje się również chlorowanie ścieków.

Oczyszczanie mechaniczne

Stosuje się kraty i sita, które skutecznie zatrzymują skratki (ciała stałe). Wyróżniamy różne rodzaje krat, mogą być rzadkie lub gęstsze, mogą być oczyszczane ręcznie lub mechanicznie. Tak wydzielone ciała stałe likwiduje się poddając je procesom kompostowania, spalania lub fermentacji. Można również rozdrabniać je i wpuszczać ponownie do ścieku wpływającego do oczyszczenia. Przerabiane są wtedy razem z osadami ściekowymi. Jeśli skratek jest mało stosuje się kraty koszowe, które mechanicznie usuwają skratki. W przypadku skratek występujących w dużych ilościach zastosowanie znajdują rozdrabniarki. Wyróżniamy dwa rodzaje: wolnostojące i zanurzone. Dodatkowo dzieli się je na typ młotkowy, nożowy i typ wirowy. Sita dynamiczne są stosowane w przypadku ścieków pochodzących z ferm, z zakładów przemysłu spożywczego, a także fabryk celulozy. Do wydzielania części stałych z gnojowicy zastosowanie znalazły sita statyczne, zwane szczelinowymi lub szczelinowo - łukowymi. Sita te stosuje się w przypadku niektórych ścieków przemysłowych.

Usuwanie zawiesin opadających

Drobne zawiesiny są redukowane w procesie sedymentacji. Wyróżniamy dwa rodzaje zawiesin: opadalne ziarniste i kłaczkowate. Zawiesiny ziarniste cechuje jednakowa prędkość opadania. Prowadzi to do powstawania cementujących powłok, które trudno usunąć. Większość zanieczyszczeń ziarnistych (piasek) zawiera w sobie ścieki rolno - spożywcze. Do zawiesin ziarnistych zalicza się także żużel, drobiny koksu, drobiny węgla i nasiona. Do usuwania tych zawiesin stosuje się piaskowniki. Zawiesiny kłaczkowate cechuje różna prędkość opadania. Zaliczmy do nich np. wodorotlenki żelaza (Fe(OH)2, Fe(OH)3), osad czynny i miał węglowy (bardzo drobny). Usuwamy je w osadnikach (są odkrytymi zbiornikami). Zawiesiny w zbiornikach ściąga na dno ich własna masa.

Odtłuszczanie ścieków

Istnieją zanieczyszczenia, które usuwa się z powierzchni ścieku. Stosuje się metody ułatwiające im wypływanie na powierzchnię, na której tworzą swego rodzaju kożuch. Ten kożuch się wyławia. Substancje te posiadają charakterystyczną cechę: ich ciężar właściwy nie dorównuje temu jaki ma woda - jest mniejszy. Do tych zanieczyszczeń zaliczamy tłuszcze i oleje. Głównym producentem tego rodzaju zawiesin są fabryki tłuszczów dla celów spożywczych, rzeźnie, fabryki wełny, przetwórnie mięsne i rybne, pralnie, zakłady petrochemiczne, przemysł naftowy oraz warsztaty samochodowe. Do wyekstrahowania ze ścieków zanieczyszczeń tłuszczowych i olejów służą odtłuszczacze. Działają wykorzystując proces flotacji (dotyczy zawiesin wznoszących). Do odtłuszczania może posłużyć nam każdy zbiornik powodujący spadek prędkości płynącego ścieku. Odtłuszczacze dzielimy na działające bez wspomagania, zwane łapaczami lub inaczej - separatorami tłuszczowo-olejowymi, i drugie odtłuszczacze napowietrzne (wspomagane czynnikami wspomagającymi). Buduje się różne typy odtłuszczaczy. Mogą być jedno- lub wielokomorowe, o poziomej albo pionowej specyfice przepływu. Urządzenia jednokomorowe (te najprostsze) wbudowywuje się w kanalizacje wewnętrzną danego obiektu. Odtłuszczacze o poziomej specyfice przepływu znajdują zastosowanie przy odzyskiwaniu surowca na różnych działach produkcji. Te ścieki, które zawierają tłuszcze są odprowadzane do specjalnych odtłuszczaczy wielokomorowych. Rozdział następuje na etapie łapaczy oddziałowych, skąd siecią wewnętrzną odprowadzane są te ścieki.

Wstępne napowietrzanie

Zadaniem tego procesu jest przetworzenie ścieków tak, aby nadawały się do bezpośredniego wykorzystania (na przykład w rolnictwie) lub mogły być dalej oczyszczane. Stosując ten proces pomocniczy natleniamy ściek, poza tym wzmagamy flokulację zawiesin, usuwanie ze ścieku gazów i flotację substancji tłuszczowych. Powietrze wprowadzane jest kanałem dolnym do komór i następnie przechodzi przez opadający z góry ściek (który przechodzi przez złoże).

Oczyszczanie wstępne

Jest to typ oczyszczania fizyko-chemicznego. Duża ilość ścieków przemysłowych o charakterze fizyko- chemicznym nie może być stosowana w rolnictwie, nie odpowiada warunkom, których wymaga nawadnianie. Stosując wstępne oczyszczanie (fizyko-chemiczne) uzdatnia się ją. Pod wpływem specyficznych substancji zobojętnia się ścieki, oddziela się z nich ciała stałe (z którymi nie poradziły sobie ani kraty, ani sita), usuwa się substancje organiczne i koloidalne, także sole mineralne. Ponadto w ten sposób odkażamy ściek, utleniamy substancje w nim zawarte i pozbywamy się nieprzyjemnego zapachu. Proces wstępnego oczyszczania przebiega według następujących etapów:

Koagulacja oraz nawapnianie ścieków - powszechnie stosowanymi koagulantami są chlorki, wapno, siarczany żelazowe oraz żelazawe i siarczany glinu. Wiele ścieków przemysłowych nie wymaga ich stosowania, wystarczy samo ich zmieszanie ze ściekami z innych działów produkcji (o innym pH) daje efekt samorzutnej koagulacji. Proces ten można usprawnić, poprzez zastosowanie substancji zwanych flokulantami. Wapniowanie ścieków jest specyficznym typem koagulacji. Efektem jest zobojętnienie kwasów zarówno organicznych i nieorganicznych. W wyniku czego wytrącają się nierozpuszczalne sole wapniowe, zmniejszając ilość zanieczyszczeń. Poprzez wapnowanie następuje również koagulacja koloidów w ściekach, co również zmniejsza zanieczyszczenie. W przypadku wapniowania stosuje się kamień wapienny, wapno palone (musi być suche i sproszkowane), mleko i wodę wapienną. Najczęściej koagulacja zachodzi w urządzeniu składającym się ze zbiorników w których przygotowuje się koagulant i wyposażonych w specjalne mieszadła komór reakcyjnych. Koagulację możemy wykonać również w zbiornikach wyrównawczych. Stosuje się je wtedy, gdy dopływ jest nierównomierny.

Zobojętnianie ścieków - wiele przemysłowych procesów jest źródłem ścieków kwaśnych i alkalicznych. Niektórych ze względu na zbyt wysoki odczyn (kwaśny lub zasadowy) nie jesteśmy w stanie stosować do nawadniania. Zwłaszcza niebezpieczne dla gleby oraz roślin uprawnych są ścieki o charakterze silnie alkalicznym (zasadowym). Zanim zastosujemy neutralizację ścieków powinniśmy przeanalizować wariant wapniowania gleby, która byłaby nimi nawadniana. Wyeliminuje to jej szkodliwe działanie. W przypadku ścieków kwaśnych, zobojętniamy je mieszając ze ściekami zasadowymi lub przepuszczając je przez złoża alkaiczne, zobojętniając je chemikaliami, stosując filtry wypełnione np. prażonym dolomitem (temperatura prażenia to około 450°), pozostawiając je na kilka dni w stawach areacyjnych, mieszając je z wodą rzeczną o odczynie obojętnym lub lekko zasadowym. Te ścieki przemysłowe, których odczyn jest zbyt alkaiczny mogą zostać uzdatnione poprzez proces przepuszczania przez ich objętość spalin w postaci gazowej. Neutralizuje się je również stosując różne kwasy lub przesączając je przez specjalny filtr gruntowy.

Sorpcja, wymiana jonowa - sorpcję stosuje się w celu wyeliminowania ze ścieków pochodzenia przemysłowego uciążliwych substancji albo w celu pozyskania substancji na których nam zależy, cennych. Proces sorpcji może zachodzić zarówno w warunkach statycznych, jak i dynamicznych (w tzw. Filtrach sorpcyjnych). Popioły lotne, torf, szlaki, koks, węgiel i ruda darniowa to najczęściej stosowane sorbenty. Na potrzeby odzysku substancji wartościowych stosuje się węgiel aktywny, sorbenty, specjalny żel krzemionkowy i specyficzne jonity syntetyczne. Ścieki pochodzące z przedsiębiorstw galwanotechnicznych, z kopalń rudy miedzi (wody pokopalniane niosą ogromne ilości zanieczyszczeń) oraz rafinacji miedzi poddaje się działaniu wymieniaczy jonowych. Arsen, chrom i inne trujące substancje, jak ołów, poddaje się strącaniu chemicznemu.

Utlenianie przy pomocy środków chemicznych - w tym procesie zastosowanie znalazły takie związki jak: chlor (głównie), podchloryny, chlorowane wapno i ozon. Jeśli chlorowanie ma posłużyć jako dezynfekcja cieczy, przeprowadza się je na samym końcu całego procesu oczyszczania. Jeśli natomiast ścieki zawierają nadmiar amoniaku nie można zastosować chloru jako utleniacza. Do dezynfekcji ścieków służą podchloryny sodowe, chlor gazowy i wapno chlorowane.

Oczyszczanie biologiczne

Zachodzi w środowisku wodnym. Polega ono głównie na utlenianiu, tzw. spalaniu na mokro. Bakterie tlenowe, zwane też aerobowymi, są do tego procesu niezbędne. W warunkach tlenowych proces oczyszczania polega na adsorpcji na powierzchni mikroorganizmów substancji organicznych, koloidów i substancji rozpuszczonych z danego ścieku. Skupiska mikroorganizmów tworzą błony biologiczne, a także postać czynnego osadu. Zatrzymane zanieczyszczenia są po części utleniane, dając wodę (H2O) i dwutlenek węgla (CO2), a reszta jest asymilowana i następnie wykorzystywana do przyrostu mikroorganizmów. Następnie zsyntetyzowana substancja lub jej część ulega autooksydacji. Biologiczne oczyszczanie odbywa się z wykorzystaniem enzymów, które produkują mikroorganizmy. Bez nich oczyszczanie byłoby niemożliwe. Do najważniejszych produktów uzyskanych podczas procesu utleniania są bezwodniki następujących kwasów: węglowego, siarkowego oraz azotowego. Ścieki zawierają wystarczającą ilość związków alkaicznych, bezwodniki poprzednio wymienionych kwasów wytwarzają związki w postaci soli rozpuszczalnych (sole węglowe - węglany, azotanowe - azotany i siarczkowe - siarczany). Tylko będący gazem dwutlenek węgla uchodzi z roztworu lub w nim pozostaje. W czasie biologicznego procesu oczyszczania ścieków 45-80% substancji szkodliwych ulega rozkładowi. Pozostałe substancje organiczne zostają przerobione jako osad w osadnikach wtórnych. W sztucznych oczyszczalniach o charakterze biologicznym, w środowisku wodnym dochodzi do utlenienia azotu (N) do tlenku azotu (NO3), proces ten nazywa się nitryfikacją azotu. W przypadku niedoboru tlenu jest możliwość zajścia procesu odwrotnego, czyli denitryfikacji, w wyniku której zachodzi wydalanie azotu w postaci gazowej do atmosfery. Gdy chcemy zdegradować osady ściekowe o charakterze organicznym lub wysoko stężone ścieki przemysłowe (organiczne), wykorzystuje się beztlenowy rozkład biologiczny, zwany fermentacją anaerobową lub inaczej fermentacją metanową. Do procesów fermentacyjnych wykorzystuje się bardzo różne odmiany drobnoustrojów, z pośród tych, które żyją w warunkach pozbawionych tlenu.

Stawy ściekowe - są to naturalne i sztuczne zbiorniki ziemne. Znalazły zastosowanie przy oczyszczaniu ścieków zawierających łatwo rozkładalne substancje organiczne o niewielkim stężeniu. W takich stawach zachodzi proces samooczyszczania. Dzieje się tak w wyniku zachodzenia szeregu procesów fizycznych oraz biochemicznych. Przebiegają one z udziałem świetlnych promieni i tlenu. W warunkach beztlenowych przeprowadzają je organizmy beztlenowe.

Stawy stabilizacyjne - w takich stawach utlenianie ścieków zachodzi przy całkowitym braku tlenu (w stawach beztlenowych), w obecności tlenu (stawy aerobowe), a także w warunkach pośrednich (stawy zwane fakultatywnymi). Do zbiorników tlenowych dostarcza się tlen dzięki fotosyntetyzującym glonom oraz przez natlenienie powierzchniowe zbiorników beztlenowych. W przypadku stawów fakultatywnych rozwiązaniem są mineralizujące bakterie heterotroficzne. Stawami stabilizacyjnymi mogą być naturalne zbiorniki oraz zagłębienia terenu. Zbiorniki sztuczne, powinny być budowane na glebach mało wartościowych pod względem gospodarczym.

Stawy napowietrzane - są to zbiorniki ziemne, w których wzmocniono skarpy. Zawartość stawu zostaje w pełni wymieszana w stawach typu tlenowego, natomiast w stawach fakultatywnych mieszanie zachodzi tylko w pewnej części. Zwiększone rezultaty oczyszczania biologicznego dają specjalne stawy typu sedymentacyjnego. W zbiornikach napowietrzanych do wpuszczania powietrza wykorzystuje się urządzenia mechaniczne takie jak wirniki, czy turbiny. Umieszcza się je na specjalnych pomostach lub tzw. pływakach.

Stawy rybne - poza hodowlą ryb służą one do oczyszczania ścieków. Wprowadza się do nich ścieki nie zawierające substancji powierzchniowo czynnych i związków toksycznych. Ponadto wcześniej muszą one przejść oczyszczanie mechaniczne. Wprowadzanie wód żyznych powoduje znaczny rozwój planktonu, który jest pokarmem dla ryb. Jeśli występuje on w nadmiarze zakłada się dodatkowo inne hodowle, np. kaczek. Dodatkowo doprowadzalniki ścieków powinny być zaopatrzone w przyrządy napowietrzające ścieki. Urządzeniami skutecznie rozprowadzającymi ścieki i natleniającymi je są urządzenia deszczujące. Podczas zimy ścieki kieruje się do filtracji, służą do tego pola filtrujące lub stawy stabilizacyjne.

Złoża biologiczne - stosy kamieni, czy koksu poukładane na rusztowaniu z cegieł lub specjalnych elementów betonowych (muszą być prefabrykowane). Oprócz kamieni czy koksu stosuje się również żużel i tworzywa sztuczne. W złożu biologicznym ścieki przepuszcza się napowietrzone kruszywo, które je wypełnia. Po przepływie ścieków wypełniacz (kruszywo) zostaje pokryty błoną biologiczną. Zachodzące procesy biochemiczne, które tam zachodzą to nic innego, jak enzymatyczne utlenianie związków organicznych oraz powstawanie komórek drobnoustrojów, które tworzą błoną biologiczną. Warunkiem pracy takiego złoża jest utrzymanie ścieku w kontakcie z błoną biologiczną i oczywiście dostateczne napowietrzenie tego złoża. Napowietrza się je po przez ruch powietrza wynikający z różnicy wartości temperaturowych. Do doprowadzania ścieku najczęściej stosuje się specjalne zraszacze obrotowe. W porze wiosennej oraz jesiennej niezbędna jest regeneracja błony (nazywa się to odbudową złoża).

Osad czynny - gromadząc ogromne ilości drobnoustrojów w małym zbiorniku, i wciąż podtrzymując ich aktywność (doprowadza się odpowiednią wielkość tlenu) możemy oczyszczać ścieki. Podstawowy proces oczyszczania zachodzi w specjalnych komorach napowietrzania. W wyniku działania tlenu powstaje specyficzny zespół drobnoustrojów. Są to głównie bakterie i pierwotniaki. Utrzymywanie ich w ciągłym ruchu warunkuje powstanie tzw. kłaczków - są to kłaczki osadu czynnego. Kłaczki te mają charakterystyczną gąbczastą strukturę. Dzięki niej mogą tworzyć duże powierzchnie osadu czynnego, która sorbuje substancje organiczne (rozpuszczone lub koloidalne) ze ścieków. Związki te służą za pożywkę dla tych drobnoustrojów. Dzięki niej następuje ich przyrost i automatyczny wzrost związków mineralnych.

W zastosowaniu osadu czynnego największe znaczenie mają komory napowietrzania. Stosuje się w nich dwa rodzaje napowietrzania: powierzchniowe (od dołu) i podpowierzchniowe. W przypadku napowietrzania powierzchniowego stosuje się koła łopatkowe, wirniki, stalowe szczoty lub mieszadła turbinowe. Do komór napowietrznych podłączone są płytki perforowane, rury (muszą być perforowane) i dysze, nimi dostarczane jest sprzężone powietrze. W przypadku napowietrzania podpowierzchniowego stosuje się tzw. ruszt systemu Inka. Aby zmniejszyć zużycie energii sprężarki zastępuje się wentylatorami.

Inne uproszczone metody oczyszczania osadem czynnym - takie metody stosuje się w przypadku niedużego obciążenia ładunkiem i gdy czas napowietrzania jest przedłużony. Utlenia się w ten sposób ładunek organiczny bez konieczności stosowania innych metod oczyszczania osadów. Oczyszczalnie które wykorzystują uproszczone metody dzielimy na tzw. rowy biologiczne i komory o wydłużonym czasie napowietrzania. W oczyszczaniu nieznacznych ilości ścieków (przemysłowych lub gospodarczych) zastosowanie znajdują rowy biologiczne. Na całą oczyszczalnie tego typu składa się jeden lub więcej rowów tego typu połączonych ze sobą. W poprzek takiego rowu montuje się szczotki Kessenera. Ich funkcją jest ciągłe mieszanie, napędzanie przepływu oraz napowietrzanie ścieku. W okresie zimy stosuje się zabezpieczenie przed zamarzaniem rowu, mianowicie w obudowę szczotek Kessenera wmontowuje się specjalne urządzenia grzewcze. Komory o wydłużonym czasie napowietrzania oczyszczają ścieki o około 20-krotnie większym obciążeniu. Często stosuje się komory napowietrzania połączone ze zbiornikiem osadzania wtórnego.

Oczyszczalnie biologiczne często funkcjonują wspólnie z powierzchniami nawadnianymi. Chcąc uzyskać większy zakres, jeśli chodzi o obciążenie, można zastosować osad czynny. Oczyszczalnie powinny posiadać więcej niż jedną komorę napowietrzania.