น้ำขาเข้า (Inlet)
ในขั้นตอนนี้ น้ำเสียจะไหลผ่านตะแกรงเพื่อกรองตะกอนดินทรายและของแข็งแขวนลอยขนาดใหญ่ออก สามารถเรียกน้ำเสียในขั้นนี้ว่าเป็น Raw Sewage หรือ Influent โดยน้ำเสียจะผ่านตะแกรงกรองที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับสิ่งที่ปนเปื้อนในน้ำเสีย โรงงานบางแห่งอาจจะรวมของเสียในกระบวนการกับท่อน้ำทิ้งไว้ด้วยกัน โดยปกติแล้วตะแกรง (Bar Screens) จะใช้ในการกำจัดสิ่งสกปรกที่มีขนาดใหญ่ เช่น เศษผ้า ก้อนหิน สิ่งสกปรก และกรวด
การบำบัดขั้นต้น (Primary Treatment)
การบำบัดขั้นต้นจะใช้ถังตกตะกอน (Clarifiers) เพื่อให้สารอินทรีย์ตกตะกอนและจมลงไปที่ก้นถังในขณะที่ไขมัน น้ำมัน และจาระบี จะลอยอยู่ที่ผิวน้ำ ซึ่งของแข็งที่จมจะเรียกว่า กากตะกอน (Primary Sludge) และมักจะถูกทำให้ใหญ่ขึ้นในกระบวนการถัดไป ก่อนที่จะส่งไปที่ Anaerobic Digester ในขณะที่สารที่ลอยได้เช่น ไขมัน น้ำมัน และจาระบี จะถูกเก็บที่ผิวน้ำและส่งไปที่ Anaerobic Digester โดยปกติกระบวนการบำบัดขั้นต้นสามารถกำจัดของแข็งได้ประมาณ 70% และกำจัด BOD (Biochemical Oxygen Demand) ได้ 45% ปัจจุบันโรงงานสมัยใหม่อาจจะมีการเพิ่มประสิทธิภาพในการกำจัดธาตุอาหารชีวภาพ จากการสกัดหรือหมักคาร์บอนในกากตะกอนก่อนส่งเข้ากระบวนการ Anaerobic หรือ Anoxic เพื่อเป็นแหล่งอาหารให้กับจุลินทรีย์
การที่มีความเข้าใจในพารามิเตอร์ pH และ TSS มีส่วนช่วยในการควบคุมกระบวนการในการบำบัดขั้นต้นให้เป็นไปอย่างถูกต้อง อย่างไรก็ตาม ถ้าอัตราการไหลเปลี่ยน อาจจะเกิดผลกระทบขนาดใหญ่กับการควบคุมกระบวนการได้ นอกจากนี้การมีปริมาณสารอินทรีย์ในน้ำสูงสามารถก่อผลกระทบได้เช่นเดียวกัน ดังนั้นการรู้คุณภาพของน้ำตัวอย่างจะช่วยให้แก้ปัญหาและป้องกันการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้
การบำบัดขั้นที่สอง (Secondary Treatment)
การบำบัดขั้นที่สองจะเป็นการกำจัดสารอินทรีย์ละลายน้ำ และ แร่ธาตุ เช่น ไนโตรเจน และ ฟอสฟอรัส รวมทั้งของแข็งที่หลุดลอดจากการบำบัดขั้นต้น โดยปกติแล้วกระบวนการทางชีวภาพจะใช้แบคทีเรียเพื่อย่อยสลายสารประกอบอินทรีย์ และแร่ธาตุเพื่อใช้ในการเติบโตและแพร่พันธุ์ของแบคทีเรีย สองกระบวนการหลักของการบำบัดแบบชีวภาพขั้นที่สองคือ ระบบบำบัดแบบเกาะติด (Attached Growth System) และ ระบบบำบัดแบบการเติบโตแขวนลอย (Suspended Growth System) สำหรับระบบบำบัดแบบแขวนลอย แบคทีเรียจะเจริญเติบโตและจับตัวกันเองเป็นตะกอนชิ้นใหญ่ซึ่งจะอยู่ทั้งในน้ำเสียที่นำเข้ามาบำบัด และอยู่ในถังเติมอากาศ (Return Activated Sludge) ตะกอนประกอบไปด้วยแบคทีเรียซึ่งสามารถกำจัดสิ่งปนเปื้อนผ่านระบบ Aerobic, Anoxic และ Anaerobic เมื่อสิ่งปนเปื้อนถูกกำจัด ตะกอนแบคทีเรีย (Sludge) จะถูกส่งไปที่ถังตกตะกอนขั้นที่สอง (Secondary Clariier) เพื่อแยกตะกอนกับน้ำทิ้ง จากนั้นตะกอนแบคทีเรียจำนวนหนึ่งที่อยู่ใต้ถังจะถูกส่งไปที่ Return Activated Sludge เพื่อนำไปผสมกับน้ำทิ้งขั้นต้น (Primary Effluent) เรียกว่า Mixed Liquor ตะกอนแบคทีเรียส่วนที่เหลือ (Waste Activated Sludge) จะถูกนำไปกำจัด สำหรับระบบบำบัดแบบเกาะติด (Attached Growth System) แบคทีเรียจะเกาะติดอยู่กับ Media หรือว่าแผ่น Biofilm น้ำเสียที่ผ่านการบำบัดขั้นต้นจะถูกผสมและปล่อยให้ไหลผ่านชั้น Biofilm ซึ่งมีแบคทีเรียเกาะอยู่ และทำหน้าที่กำจัดสิ่งสกปรก จากนั้น Biofilm จะหลุดออกมาและถูกส่งไปที่ถังตกตะกอนเพื่อแยกตะกอนที่นำไปใช้ใหม่และนำไปกำจัด รวมทั้งแยกน้ำทิ้งไปยังการบำบัดขั้นต่อไป
สำหรับการบำบัดแบบชีวภาพอย่างมีประสิทธิภาพนั้น แบคทีเรียต้องการแร่ธาตุในสัดส่วนที่เหมาะสม เช่น คาร์บอน ไนโตรเจน และ ฟอสฟอรัส (C:N:P) และธาตุอื่นๆ เช่น เหล็ก คอปเปอร์ ซิงค์ แมงกานีส โพแทสเซียม ซัลเฟอร์ และ องค์ประกอบอื่นที่อยู่ในน้ำเสีย โดยปกติแล้วสัดส่วนของ C:N:P ตามมาตรฐานจะเท่ากับ 100:5:1 บางครั้งสัดส่วนอาจเกินจากนี้ได้ ในขณะที่โรงงานบางแห่งอาจใช้การฟอร์มตัวของเมือก Polysaccharide หรือการเติบโตของแบคทีเรียเส้นใย (Filamentous Bacteria) ซึ่งไปยับยั้งชีววิทยาและจากนั้นจะลอกและจมลงในถังตกตะกอนขั้นที่สอง
หลายกระบวนการทางชีวภาพสามารถนำมาใช้ในการบำบัดขั้นที่สองได้ รวมทั้งถังเติมอากาศแบบไหลตามกัน (Plug Flow Aeration Basins), ถังเติมอากาศแบบกวนสมบูรณ์ (Complete Mix Aeration Tanks), ถังปฏิกรณ์แบบ Batch, ระบบคลองวนเวียน (Oxidation Ditch), ระบบโปรยกรอง (Trickling Filter), ถังปฏิกรณ์ชีวภาพชนิดสารกรองเคลื่อนที่ Moving Bed Bioreactor, Integrated fixed-film activated sludge และอื่นๆ
การกำจัดธาตุอาหารทางชีวภาพ (Biological Nutrient Removal) จะปรับเปลี่ยนสภาพแวดล้อมของแบคทีเรีย เพื่อกำจัดไนโตรเจน และ ฟอสฟอรัสจากน้ำทิ้ง กระบวนการ BNRประกอบไปด้วยขั้นตอน Anaerobic(กระบวนการบำบัดแบบไม่ใช้ออกซิเจน หรือไนเตรต), Anoxic (กระบวนการบำบัดแบบไม่ใช้ออกซิเจน แต่ยังมีไนเตรต) และ Aerobic (กระบวนการบำบัดแบบใช้ออกซิเจน) ระหว่างการบำบัดน้ำทิ้งจะถูกส่งไปแต่ละ Chamber เพื่อทำการบำบัดน้ำเสียแบบชีวภาพ
กระบวนการบำบัดเคมีก็ถูกใช้ด้วยเช่นกัน เช่น การกำจัดฟอสฟอรัส เป็นต้น โดยการใส่สารทำให้ตกตะกอนในถังเติมอากาศและถังตกตะกอน ก็จะสามารถกำจัดฟอสฟอรัสโดยการทำให้ฟอสฟอรัสจับตัวกันเป็นก้อน และตกลงสู่ก้นถังสามารถกำจัดออกเหมือนกับตะกอนทั่วไปได้ (Sludge)
การแยกตะกอน (Sludge Separation)
วิธีการกำจัดตะกอนหรือสลัดจ์จากถังตกตะกอน จะขึ้นอยู่กับปริมาตรของของแข็งและเงื่อนไขจำเพาะอื่นๆ การย่อยแบบแอโรบิก (Aerobic Digestion) มักใช้ในโรงงานที่มีปริมาณน้ำเสียน้อกว่า 8 ล้านแกลลอนต่อวัน สำหรับกากตะกอน (Waste Activated Sludge)ที่มีตะกอนขั้นต้น (Primary Sludge) จะถูกเติมลงในถังเติมอากาศ (Aerated Reactor) ซึ่งเป็นที่ที่ให้อาหารแก่แบคทีเรีย ซึ่งแบคทีเรียในตะกอน
จะช่วยลดของแข็งระเหย(Volatile Solids) และ ปริมาณของตะกอนทั้งหมดได้ ในส่วนของการย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic Digestions) มักใช้ในโรงงานที่มีปริมาณการบำบัดมากกว่า 8 ล้านแกลลอนต่อวันและมีการใช้ถังปฏิกรณ์แบบปิด (Sealed Reactor) เพื่อสร้างสภาวะแบบ Anaerobic สำหรับแบคทีเรียต่างชนิดกันผ่านกระบวนการ Acidogenesis และ Methanogenesis
ในกระบวนการ Methanogenesis แก๊สมีเทนจะเกิดขึ้นโดยการย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic Digestions)และสามารถใช้เชื้อเพลิงให้ความร้อนในถังย่อย เผา ทำความสะอาด หรือเป็นแหล่งพลังงานได้ นอกจากนี้การกำจัดของแข็งขนาดใหญ่ จะช่วยลดปริมาณการทำงานของเครื่องจักรในโรงงาน ซึ่งจะเหลือไว้เพียงสารอินทรีย์ขนาดเล็กที่ละลายน้ำได้สำหรับการบำบัดเท่านั้น นอกจากนี้การตรวจสอบระดับของตะกอนในถังตกตะกอนขั้นต้น สามารถหาอัตราการกำจัดได้อีกด้วย
การรักษาระดับของตะกอนในถังตกตะกอนมีความสำคัญมากในกระบวนการกำจัด ถ้ามีตะกอนน้อยเกินไปอาจจะเกิดอันตรายต่อ Removal Arm ได้ ซึ่งอัตราการไหลก็สามารถกำหนดได้จากระดับของตะกอน
การจัดการตะกอน (Sludge Management)
การเพิ่มความหนาของตะกอนเกี่ยวข้องกับการเพิ่มความเข้มข้นของตะกอนโดยการกำจัดสัดส่วนของเปอร์เซ็นต์น้ำจากการเติมสารประกอบ Polymerและมักจะเติมก่อนการย่อยแบบ Anaerobic ซึ่งการนำน้ำออกสามารถทำได้โดยการกดรีดไปกับสายพาน (Belt Presses), การปั่นเหวี่ยง (Centrifuges) หรือวิธีการอื่นๆ ที่สามารถทำให้กลายเป็นตะกอนแห้ง และสามารถนำไปอบแห้งเพิ่มหรือนำไปกำจัดในหลุมฝังกลบได้
น้ำทิ้ง (Effluent)
ในระหว่างกระบวนการการปล่อยน้ำทิ้ง จะต้องผ่านกระบวนการกรอง (Filtration), การฆ่าเชื้อโรค (Disinfection)และ การดูดซับด้วยคาร์บอน (Carbon Absorption) เพื่อกำจัดสารอินทรีย์ที่ตกค้าง สารแขวนลอย เชื้อโรค และโลหะหนัก โดยการผ่านกระบวนการบำบัดต่างๆ ซึ่งจุดมุ่งหมายของขั้นตอนนี้เพื่อเป็นการเพิ่มคุณภาพน้ำทิ้งให้อยู่ในระดับที่น่าพอใจ และสามารถนำไปใช้ต่อได้ หรือแม้กระทั่งสามารถปล่อยสู่ทะเลสาบ แม่น้ำ หรือมหาสมุทร หรือแม้แต่นำไปใช้เพื่อการชลประทานที่เกี่ยวกับการเกษตร (สวนสาธารณะ, สนามกอล์ฟ หรือสถานที่อื่นๆ) หรือเพื่อการเติมน้ำใต้ดิน เป็นต้น