污水處理廠中積累的殘留物稱為污泥（或生物固體）。污水污泥是固體，半固體或泥漿殘留物，是廢水處理過程的副產品。該殘留物通常被分類為主要和次要污泥。初級污泥是由化學沉淀，沉降和其他主要過程產生的，而次級污泥是由生物處理產生的活化廢物生物質。一些污水處理廠還從家庭現場廢水處理系統中接收垃圾或化糞池中的固體。污泥經常合并在一起進行進一步處理和處置。
使用熱水解和厭氧消化處理污水污泥從二次污水處理中獲得的混合污泥將通過溶解氣浮選槽，其中固體上升至表面并被撇除。增稠的污泥用蒸汽打漿，然后進行熱水解，在此過程中，蛋白質和脂質等大分子在熱和壓力下分解。水解的污泥通過閃蒸罐，在那里壓力突然下降導致細胞破裂，然后進入厭氧消化，在細菌中細菌將溶解的有機物轉化為沼氣（可用于為處理過程提供燃料）。消化后的污泥經過脫水步驟；干燥的固體被處理掉，水被送回第二級處理。
污水污泥的處理和處置是所有廢水處理廠設計和運行的主要因素。在最終處置之前處理污泥的兩個基本目標是減少污泥的體積并穩定有機材料。穩定的污泥沒有令人討厭的氣味，可以進行處理而不會造成滋擾或健康危害。較小的污泥量可降低泵送和存儲的成本。
污水污泥的處理可能包括 增稠，消化和脫水過程。
增稠
增稠通常是污泥處理的第一步，因為處理稀薄的污泥（懸浮在水中的固體漿液）是不切實際的。增稠通常在稱為重力增稠器的罐中完成。增稠劑可以將污泥的總體積減少到原始體積的一半以下。重力加厚的替代方法是溶解氣浮選。在該方法中，空氣氣泡攜帶固體表面上，其中的濃縮污泥的形式的層。
消化
污泥消化是一個生物過程，其中有機固體被分解成穩定的物質。消化可減少固體總量，消滅病原體，并使污泥脫水或干燥更容易。消化后的污泥無害，具有豐富的盆栽土壤的外觀和特征。
大多數大型污水處理廠使用兩階段消化系統，其中有機物被細菌厭氧代謝（在無氧條件下）。在第一階段，將淤泥濃縮至干固體（DS）含量約為5％，然后在密閉罐中加熱并混合幾天。形成酸的細菌水解大分子，例如蛋白質和脂質，將它們分解為較小的水溶性分子，然后將這些較小的分子發酵為各種脂肪酸。然后，污泥流入第二個池，在那里溶解的物質被其他細菌轉化為沼氣，即二氧化碳和甲烷的混合物。甲烷是可燃的，用作加熱第一個消化池以及為工廠發電的燃料。
厭氧消化對溫度，酸度和其他因素非常敏感。它需要仔細的監視和控制。在某些情況下，污泥在第一個消化階段開始時會接種額外的水解酶，以補充細菌的作用。已經發現，這種酶處理可以消滅污泥中更多的有害病原體，并且還可以在消化的第二階段中產生更多的沼氣。
傳統的兩階段厭氧消化過程的另一個增強之處是 熱水解或大分子受熱分解。在消化之前，這是在單獨的步驟中完成的。在典型情況下，該過程從污泥開始，然后將污泥脫水至DS含量約為15％。污泥在碎漿機中與蒸汽混合，然后將熱的均質混合物送入反應器，在反應器中將其在約165°C（約330°F）的壓力下保持約30分鐘。到那時，在完成水解反應后，一些蒸汽被排出（供入碎漿機），并且仍然處于一定壓力下的污泥突然釋放到“閃蒸罐”中，在其中閃閃發光。壓力使許多固體物質的細胞壁破裂。將水解的污泥冷卻，用水稍微稀釋，然后直接送至厭氧消化的第二階段。
污泥消化也可以在需氧條件下進行，即在氧氣存在下進行。污泥在敞開的水箱中劇烈充氣約20天。在此過程中不會生成甲烷氣體。盡管有氧系統比厭氧系統更易于操作，但由于曝氣需要動力，它們的運行成本通常更高。有氧消化通常與小型擴展曝氣或接觸穩定系統結合在一起。
有氧消化和常規厭氧消化將大約一半的有機污泥固體轉化為液體和氣體。熱水解再進行厭氧消化可以將約60％到70％的固體物質轉化為液體和氣體。不僅是固體的體積產生比常規消化小，但更大的生產沼氣的可以使一些污水處理廠自給能量。
脫水
消化污水 污泥通常在處置前先進行脫水。脫水的污泥仍然包含大量的水（通常高達70％），但是即使具有該水分含量，污泥也不再表現為液體，而是可以作為固體物質處理。污泥干燥床提供最簡單的脫水方法。消化后的污泥漿液鋪在敞開的沙床上，并保持干燥。干燥是通過蒸發和重力通過沙子的結合來進行的。可能在沙床上方建立了一個在沙子下收集水的，然后抽回工廠的頂部。干燥大約六周后，污泥餅的固體含量可能約為40％。然后可以用干草叉或前端裝載機將其從沙子上除去。為了減少在潮濕或寒冷天氣下的干燥時間，玻璃外殼管道網絡。由于干燥床需要大量的土地面積，因此這種脫水方法通常用于農村或郊區城鎮，而不是在人口稠密的城市。
污泥干燥床的替代品包括旋轉鼓式真空過濾機，離心機和帶式壓濾機。這些機械系統比污泥干燥床需要的空間更少，并且它們提供了更高程度的操作控制。但是，通常必須在它們之前進行一個稱為污泥調節的步驟，在該步驟中，將化學藥品添加到液體污泥中以凝結固體并改善排水性。
處置方式
處理后的污水污泥的最終目的地通常是土地。脫水污泥可以埋在地下衛生填埋場。它也可以在農業土地上傳播，以利用其作為土壤改良劑和肥料的價值。由于污泥可能包含有毒的工業化學物質，因此不會擴散到種植農作物供人類消費的土地上。
如果沒有合適的土地處置場所（如在城市地區），可能會產生污泥 焚化。焚化會完全蒸發水分，并將有機固體轉化為惰性灰分。必須將灰燼處理掉，但減少的體積使處理更經濟。焚化污水污泥時，空氣污染控制是非常重要的考慮因素。必須使用適當的空氣清潔設備，例如洗滌器和過濾器。
將海洋中的污泥傾倒曾經是許多沿海社區的一種經濟處置方法，現在不再被認為是可行的選擇。現在在美國和許多其他沿海國家中禁止使用。
新興技術
廢水處理領域的專家一直在努力實施既有技術，并改善環境法規，以實現水質目標和人類健康保護。同時，該行業也在過渡，以應對未來的挑戰，例如氣候變化，人口變化和基礎設施老化。
改良的治療方法
由于水質標準越來越嚴格，許多較舊的廢水處理設施都需要升級，但是由于擴展空間有限，這通常很困難。為了在不需要更多土地面積的情況下提高治療效率，已經開發了新的治療方法。其中包括膜生物反應器工藝，壓載絮凝反應器和集成固定膜活性污泥（IFAS）工藝。
在里面 在膜生物反應器過程中，中空纖維微濾膜組件被浸入一個罐中，在其中可以進行曝氣，二次澄清和過濾，從而在較小的土地上提供二次和三次處理。
在一個 鎮流絮凝反應器，通過使用沙子和聚合物來幫助懸浮固體凝結并形成更大的質量（稱為絮凝物），可以提高懸浮固體的沉降速率。沙子是在水力旋流器中與污泥分離的，水力旋流器是一種相對簡單的設備，水在切線處的圓柱體頂部附近被引入其中，以便諸如沙子之類的重質材料通過離心力被“紡絲”到外壁。沙子在重力作用下在水力旋流器的底部收集，然后循環回到反應器中。
曝氣生物濾池使用帶有浸沒介質的水池，該池既用作生物處理的接觸面，又用作將固體與廢水分離的濾池。應用細氣泡曝氣以促進該過程，并使用常規的反洗清潔介質。曝氣生物濾池所需的土地面積僅為常規活性污泥系統所需面積的約15％。
自動化
先進的廢水凈化工藝涉及對工藝參數和環境敏感的生物處理。為了確保物理，化學和生物過程的穩定可靠運行，污水處理廠常常需要實施涉及復雜儀器和過程控制系統的復雜技術。使用在線分析儀器，可編程邏輯控制器（PLC），監督控制和數據采集（SCADA）系統，人機界面（HMI）以及各種過程控制軟件可實現對治療過程的自動化和計算機化，并提供遠程操作。這樣的創新 顯著改善系統操作，從而最大程度地減少監管需求。
環境方面的考慮
對于面臨能源和電力挑戰的社區，自然療法，節能和減少碳足跡是一些關鍵考慮因素。綠色技術以及包括太陽能和風能在內的可再生能源在廢水處理中的應用正在發展，并將有助于最大程度地減少人類活動對環境的影響。生態和經濟的天然廢水處理和處置系統已經在許多地方變得越來越重要，尤其是在較小的社區中。這些包括人工濕地，瀉湖，穩定池，土壤過濾器，滴灌，地下水充電和其他類似系統。這些系統的簡單性，成本效益，效率和可靠性為此類環保技術提供了潛在的應用。
鑒于廢水中富含營養物質和其他化學物質，污水處理設施已被公認為資源回收設施，從而克服了其過去僅作為緩解污染實體的聲譽。較新的技術和方法不斷提高從污水處理廠回收能源，養分和其他化學物質的效率，從而有助于建立可持續的市場并成為廢水處理設施的創收來源。
營養貿易等概念也已出現。此類舉措的目的是通過在點源排放者和非點源排放者之間交易營養減少額來控制和實現給定流域的總體污染負荷目標。這樣的計劃可以幫助最大程度地減少養分污染的影響，并減輕因昂貴的污水處理廠升級而給社會帶來的經濟負擔。
