一级处理阶段
城市污水处理历史可追溯到古罗马时期，那个时期环境容量大，水体的自净能力也能够满足人类的用水需求，人们仅需考虑排水问题即可。而后，城市化进程加快，生活污水通过传播细菌引发了传染病的蔓延，出于健康的考虑，人类开始对排放的生活污水处进行处理。早期的处理方式采用石灰、明矾等进行沉淀或用漂白粉进行消毒。明代晚期，我国已有污水净化装置。但由于当时需求性不强，我国生活污水仍以农业灌溉为主。1762年，英国开始采用石灰及金属盐类等处理城市污水。
二级处理阶段
有机物去除工艺
生物膜法
活性污泥法
随着在实际生产生的广泛应用和技术上的不断革新改进，20世纪40-60年代，活性污泥法逐渐取代了生物膜法，成为污水处理的主流工艺。
1921年，活性污泥法传播到中国，中国建设了第一座污水处理厂—上海北区污水处理厂。1926年及1927年又分别建设了上海东区及西区污水厂，当时3座水厂的日处理量共为3.55万吨。
脱氮除磷工艺
20世纪50年代，水体富营养化问题凸显，脱氮除磷成为污水处理的另一主要诉求。于是，在活性污泥法的基础上衍生出了一系列的脱氮除磷工艺。
除磷工艺
50年代初，摄磷菌被发现并用于除磷。（如图2）
脱氮工艺
1969年，美国的barth提出采用三段法除氮（如图3），第一段是好氧段，主要去除有机物，第二段加碱硝化，第三段是厌氧反硝化，除氮。
1973年，barnard在原有工艺基础上，将缺氧和好氧反应器完全分隔，污泥回流到缺氧反应器，并添加了内回流装置，缩短了工艺流程，也就现在常说的缺氧好氧（a/o）工艺（如图4）。
a2o工艺
70年代，美国专家在a/o工艺的基础上，再加上除磷就成了a2o工艺（如图5）。我国1986年建厂的广州大坦沙污水处理厂，采用的就是a2o工艺，当时的设计处理水量为15万吨，是当时世界上最大的采用a2o工艺的污水处理厂。
氧化沟工艺
a2o工艺是将生物处理厌氧段和好氧段进行了空间分割，而氧化沟则为封闭的沟渠型结构，结合了推流式和完全混合式活性污泥法的特点，集曝气、沉淀和污泥稳定于一体。污水和活性污泥的混合液不断地循环流动，系统中能够形成好氧区和缺氧区，进而实现生物脱氮除磷（如图6）。氧化沟白天进水曝气，夜间用作沉淀池。活性污泥法相比 , 其具有处理工艺及构筑物简单、泥龄长、剩余污泥少且容易脱水、处理效果稳定等优势。
两段法工艺
早期的两段法只是将一套活性污泥法的两组构筑物串联，一段和二段曝气池体积相同，且多合并建设，大部分有机物在第一段被吸附降解，第二段的污泥负荷很低，其出水水质要优于相同体积曝气池的单级活性污泥法（如图7）。然而，由于第一段曝气池体积减小了一倍，相当于污泥负荷增加了一倍，处在易发生污泥膨胀的阶段，运行管理较为困难。
其后，为了解决脱氮时硝化菌需要长泥龄，除磷时聚磷微生物需要短泥龄的矛盾，开发了ao-a2o工艺（如图9）。该工艺由两段相对独立的脱氮和除磷工艺组成，第一段泥龄短，主要用于除磷，第二段泥龄长、负荷低，用于脱氮。
在ao-a2o工艺基础上奥地利研发出了hybrid工艺（如图10），该工艺的两段之间有三个内回流装置，可以为第一段曝气池提供硝态氮、硝化菌以及为第二段曝气池提供碳源。第一段主要是去除有机物和磷，第二段是硝化功能，并靠第一段曝气池回流混合液进行反硝化脱氮。
sbr工艺
序批式活性污泥法(sbr)工艺是在时间上将厌氧段与好氧段进行分割。20 世纪70 年代初由美国irvine公司开发。它在流程上只有一个基本单元，集调节池、曝气池和二沉池的功能于一池，进行水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等。经典 sbr 反应器的运行过程为：进水→曝气→沉淀→滗水→待机（如图11、 12）。
80 年代初，连续进水的 iceas 工艺诞生（如图13）。该工艺在传统的sbr工艺基础上，在反应池中增加一道隔墙 ,将反应池分隔为小体积的预反应区和大体积的主反应区,污水连续流入预反应区,然后通过隔墙下端的小孔以层流速度进入主反应区，解决了间歇式进水的问题。
脱氮除磷新工艺
近几十年，能源、资源的短缺已经引起了广泛的关注，进一步脱氮除磷及对能源节约及资源回收的需求成为了污水处理工艺发展的主流方向。一批新兴脱氮除磷技术得以应用。
三级处理阶段
近十几年，随着污染加剧，水资源短缺严重，人类对水质提出了更高的要求，污水深度处理与回用技术兴起。污水处理厂的侧重点不再是核算污染物的排放量，而是如何改善水质。生物膜及膜分离技术开始显现其独特优势。
生物膜技术在20世纪60-70年代，随着新型合成材料的大量涌现再次发展起来，主要工艺有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等。
目前，应用较多的膜处理技术主要有微滤（mf）、超滤（uf）、反渗透（ro）和膜生物反应器（mbr）技术。本世纪初的新加坡“newwater ”水厂就是采用在二级处理后加超滤膜及反渗透膜的方式进行再生水回用处理。
以史为鉴，可知兴替。回顾整个历史过程，城市生活污水处理的足迹随着人类健康的需求、水环境质量的变化、污水的处理程度在一级级的加深，同时操作管理、资金占地等成本问题又推动了水处理工艺技术的不断进化，其操作、占地、程序步骤、能源资源的投入都在一点点地简化。人们对水质的需求越来越高，而处理过程却越来越趋于简便。有趣的是，无论近几年业界所看好的厌氧生物技术还是源分离最终的土地灌溉，城市污水处理似乎又回到了它最初的形式，尽管其中蕴含的科技含量早已不可同日而语。大繁若简，最终还是归于自然。