尽管地球70.8%的面积被水覆盖，但淡水资源极为有限，人类真正能利用的只是一部分江河湖泊和地下水，仅占地球总水量的0.26%，且分布不均。近百年来，随着全球人口的不断膨胀和工业的快速发展，水资源状况急剧恶化。
人类认识到水处理的重要性，并一直在探索水处理的技术和方法。从简单的过滤沉淀到去除有机物，从蒸馏净水到海水淡化，人类希望通过技术方法的不断改进，使有限的水更清洁、更纯净、更可供人类使用。
远古时期，人类没有先进的水处理技术，为了减少疾病的传播，采用格栅关闭、自然沉淀等简单方法进行水处理，那个时期环境容量大，水体的自净能力也能满足人类的用水需求，经过多年的实践和总结，相继产生了几种传统的水处理工艺。
人们发现，利用沙子可以过滤掉细小的悬浮或沉淀杂质。这就是沉积物过滤法，用于去除水源中的悬浮颗粒或胶体物质。这是最古老、最简单的净水方法，所以在净水的初步处理中经常使用这一步骤。
用于过滤悬浮颗粒物的过滤器种类繁多，如网状过滤器、砂过滤器（如石英砂等）或膜过滤器，欧洲工业革命始于18世纪中期，随后随着人类社会工业化进程的快速发展，工业废水也大量产生，工业强国的江河湖泊受到严重污染，逐渐成为社会公害，威胁人类健康。
人们还发现，当时简单的化学和物理方法很难处理这些废水，创新的水处理技术势在必行。来自世界各地的科学家开始研究水处理方法，从废水曝气试验开始。
曝气是通过曝气或机械搅拌增加水与气体接触的过程，以溶解氧气或分散水中溶解的气体和挥发性物质。水和空气充分接触，交换气态物质，去除水中挥发性物质，或使气体从水中逸出，如去除水味或CO2、H2S等气体；或将氧气溶解到水中，增加溶解氧的浓度，以达到去除铁、锰或促进好氧微生物降解有机物的目的。
然后是化学混凝预处理。混凝是混凝和絮凝的结合。混凝是将带正电荷的凝固剂引入水中，与水中大部分带负电荷的颗粒结合。
絮凝是指悬浮颗粒在水中堆积，增加或形成絮状物，从而加速颗粒堆积，达到固液分离的目的。早期的处理方法是用石灰、明矾等沉淀或用漂白剂消毒。
在我国，明末就有污水净化装置，但由于当时需求不足，生活污水仍以农业灌溉为主，在国外，1762年英国开始使用石灰和金属盐处理废水。
化学沉淀是向水中加入化学物质，与水中的可溶性物质发生反应，形成不溶性化合物，然后进行固液分离去除水中污染物的一种方法，主要用于废水处理中去除重金属（如Hg、Zn、Cd、Cr、Pb、Cu等）和一些非金属（如As、F等）离子污染物，对于高危害性重金属废水，虽然处理方法很多，但化学沉淀至今仍是最主要的一种。
蒸馏是一种古老但有效的水处理方法，可以去除任何非挥发性杂质，但不能消除挥发性污染物，而且需要一个大的储罐来储存。气浮又称浮选，是一种从液体中去除低密度固体物质或液体颗粒的方法。空气鼓入水中产生的微小气泡附着在水中的悬浮物上，气泡的浮力一起上升到表面，实现固液或液液分离。
吸附法是利用多孔固体物质吸附分离水中污染物的水处理工艺，用于吸附污染物的固体吸附剂有：活性炭、活性煤、焦炭、树脂、木屑等，吸附常分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。
在水处理过程中，常采用吸附式滤床对水进行吸附处理，可以去除重金属离子（如汞、铬、银、镍、铅等），也用于水的深度处理。硬水的软化需要使用离子交换法，其目的是利用阳离子交换树脂将硬水中的钙、镁离子与钠离子交换，从而降低水源中钙、镁离子的浓度。软化的反应公式如下：Ca2++2Na-EX→Ca-EX2+2Na+Mg2++2Na-EX→Mg-EX2+2Na+其中EX代表离子交换树脂，这些离子交换树脂将Ca2+和Mg2+结合起来，释放出原来含有在其中的Na+离子。
萃取法使用一种与水不混溶但能很好地溶解污染物的萃取剂，使其与废水充分混合接触。它利用污染物在水中和溶剂中的溶解度或分布比例不同，达到分离、萃取污染物和净化废水的目的。19世纪末，污水中的有机物成为人们清除的重点。1881年，法国科学家发明了第一个生物反应器，并诞生了第一个厌氧生物处理池——莫里斯池，拉开了污水生物处理的序幕。1893年，第一台生物滤池在英国威尔士投入使用，并迅速在欧洲、北美等国家推广。
技术的发展促进了标准的产生。1912年，皇家污水处理委员会提出了BOD5来评估水质的污染程度。阿登和洛克特在英国化学学会发表了一篇关于“活性污泥法”的论文，克拉克和盖奇在曼彻斯特的劳伦斯污水试验站应用了这种方法。
与此同时，第一座活性污泥废水处理厂建成，两年后，美国第一座活性污泥废水处理厂成立。
1921年，活性污泥法传到中国，中国建成了第一座污水处理厂——上海北区污水处理厂。1926年和1927年，上海东区和西区污水处理厂分别建成。当时，三个水厂的日处理能力为55万吨。
随着实际生产中的广泛应用和技术的不断创新和完善，在上世纪四六十年代，活性污泥法逐渐取代生物膜法，成为废水处理的主流工艺，活性污泥法的诞生奠定了下一个百年城市废水处理技术的基础。
如今，活性污泥法及其衍生改良工艺是处理城市废水应用最广泛的方法，对膜现象的研究始于1748年20世纪初的膜分离技术时代。
然而，实现膜的功能并将其用于生产和生活是一个近200年的漫长过程。人们对膜分离技术进行科学研究已经有近百年的历史了。
20世纪初，微滤（micro过滤）。微滤技术是最早工业化的膜分离技术之一。当时，它主要是由天然或合成聚合物制成的微孔过滤膜。1907年，贝奇霍尔德发表了第一份关于微孔过滤膜性能的报告。
1918年，Zsigmondy等人首次提出了以商业规模生产硝酸纤维素微孔过滤膜的方法，并于1921年获得专利。1925年，世界上第一家微孔过滤膜公司“Sartorius GmbH”在德国哥廷根大学成立，专门从事微孔过滤膜的生产和销售。二战后，美国和英国也对微孔过滤膜的制造技术和应用进行了广泛的研究。这些研究对微孔过滤技术的快速发展起到了推动作用。我国微孔过滤技术的研究和发展相对较晚，基本上是从20世纪80年代初开始的，但其发展速度非常快。
截至2005年，我国微滤技术已形成年产出值7000万元，为我国膜工业年产出值的**1/5，经济效益和社会效益也十分显著；近十年来，我国在微滤膜、组件及相应配套设备等方面取得了长足的进步，在医药、饮料、饮用水、食品、电子、石化、分析检测和环保等领域有着广泛的应用；上世纪50年代，电渗析。
电渗析技术研究始于德国。1903年，莫尔斯和皮尔斯分别在透析袋内外的溶液中放置了两个电极，发现带电杂质可以迅速从凝胶中去除。1924年，保利利用化学设计原理改进了莫尔斯的实验装置，试图减少极化，提高传质速率。但直到1950年，朱达首次试制成功高选择性离子交换膜，电渗析技术才进入实用阶段，为电渗析奠定了实用基础。
电渗析是利用离子交换膜的选择性渗透性，以电位差为驱动力，将带电组分的盐类与不带电组分的水分离的一种膜分离技术，该技术利用离子交换膜的特性对水进行淡化和淡化。电渗析水处理技术最初用于净化微咸水，后来逐渐扩展到海水淡化和工业纯水生产的应用。
20世纪60年代的反渗透膜、生物反应器和膜蒸馏技术。反渗透（RO）：1960年，勒布和苏里林根首次开发出世界上具有历史意义的非对称反渗透膜，这是膜分离技术发展的重要突破，使膜分离技术进入大规模工业应用时代，过滤精度约为0.0001微米，是美国20世纪60年代初开发的一种利用压差的ultra-high-precision膜分离技术。
它可以过滤掉水中几乎所有的杂质（包括有害的和有益的），只让水分子通过，也就是说在反渗透膜制水的过程中，会浪费50%以上的自来水，这是普通家庭无法接受的。
一般用于纯水、工业超纯水、制药超纯水的制造，反渗透技术需要加压和电，流量小，水工时利用率低，不适合大量饮用水的净化。
膜生物反应器（MBR）是一种由膜分离和生物处理组成的新型高效废水处理技术，工业含氮废水的反硝化机理包括硝化和反硝化两个基本过程，硝化是指氨氮转化为硝态氮的过程，主要由亚硝化细菌和硝化细菌两类好氧自养细菌完成。
MBR的研究始于20世纪60年代的美国。当时，由于膜生产技术的限制，膜的使用寿命短，透水性低，阻碍了其实际应用。20世纪70年代后，日本根据其领土小、地价高的特点，大力发展和研究MBR在废水处理中的应用，使MBR开始在实践中得到应用。自20世纪80年代以来，MBR工艺在日本等国家得到广泛应用。
一家日本公司对MBR工艺的废水处理效果进行了全面研究，表明活性污泥-平板膜组合工艺不仅能高效去除有机物，而且出水中不含细菌，可直接作为废水回用。中国的MBR研究始于1993年。天津大学的一个研究团队花了10年时间才开发出中空纤维膜，被称为“21世纪的水处理技术”。
该项目被列为国家“八五”、“九五”重点科技攻关项目，被国家列为“中国21世纪议程实施能力与可持续发展实用新技术”。该技术在国内处于领先水平，部分指标达到国际领先水平。膜蒸馏（MD）：MD技术最早由B. R.Bodell于1963年申请并获得专利，80年代开始迅速发展。随着基于膜蒸馏的膜分离工艺研究的不断深入，一些膜distillation-related膜工艺相继出现并引起人们的关注。膜蒸馏技术在许多领域取得了可喜的研究成果，特别是在水溶液的分离方面。
膜蒸馏是膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程，膜两侧蒸汽的温差是传质的驱动力，是传热传质同时进行的过程，膜孔内的传质过程是分子扩散和克努森扩散的综合结果，是20世纪70年代的超滤（UF）。
超滤自20世纪70年代进入工业应用以来发展迅速，它是一种由压力驱动的膜分离过程，通过膜表面微孔筛分可截留直径002-0.1μm的颗粒和杂质，可有效去除水中的胶体、硅、蛋白质、微生物和大分子有机物。当液体混合物在一定压力下流过膜表面时，溶剂和小分子物质通过膜，而大分子物质被截留，从而达到大分子和小分子之间分离纯化的目的。可广泛应用于物质的分离、浓缩和纯化。
80年代纳滤。纳滤（NF）：过滤精度介于超滤和反渗透之间，脱盐率低于反渗透，还需要电、压膜分离技术，水回收率低。
也就是说，在纳滤膜制水的过程中，会有近30%的自来水被浪费掉，这是一般家庭无法接受的。
一般用于工业纯水制造。90年代渗透汽化（per汽化）。
一种用于分离液（气）混合物的新型膜技术，它是在液体混合物中各组分蒸气分压差的推动下，利用各组分不同的溶解和扩散速率通过致密膜实现分离的过程。
海水淡化技术在20世纪50年代加速发展海水淡化是人类数百年来追求的梦想，古代就有去除海水中盐分的故事和传说，从海水中提取淡水的努力始于16世纪，当时欧洲的探险家们在长途航行中煮沸海水制成淡水。
这是海水淡化技术的开端，20世纪50年代以后，海水淡化技术随着水危机的加剧而加速发展，蒸馏、电渗析、反渗透等水处理技术应用于海水淡化领域，并已达到工业化规模生产的水平，在世界各地得到广泛应用。
1958年，石松研究员等在国内首次开展离子交换膜电渗析海水淡化研究；20世纪60年代初，多级闪蒸海水淡化技术应运而生，现代海水淡化产业进入快速发展时代；1967年，中国国家科委组织了全国海水淡化大赛。
20世纪70年代，中国海水淡化技术位居世界前列：成功研制了海洋监测专用微孔滤膜，建成了世界上最大的电渗析海水淡化站——西沙永兴岛海水淡化站。1982年，经中国科学技术协会批准，中国海水淡化与水循环利用学会在杭州成立。
1984年，国家海洋局成立了以海水淡化实验室为主体的国家海洋局杭州水处理技术研发中心。
1992年，国家海洋局成立国家液体分离膜工程技术研究中心，开始研制国产反渗透膜；力争摆脱国外反渗透膜技术的垄断。
到2003年，世界上建成和承包的海水和苦咸水淡化厂的能力达到每天3600万吨淡水。全球已有125个国家和地区进行了海水淡化，淡化水养活了世界上约5%的人口。
海水淡化，事实上已成为世界上许多国家为解决水资源短缺问题而广泛采用的战略选择，其有效性和可靠性也越来越得到广泛认可。20世纪50年代，氮磷去除工艺被引入，水体富营养化问题显现。氮磷去除成为废水处理的另一大需求。
因此，在活性污泥法的基础上衍生出了一系列脱氮除磷工艺，50年代初发现了phosphorus-accumulating细菌并将其用于除磷，在厌氧和好氧状态下交替运行活性污泥，可以使积累过量磷酸盐的phosphorus-accumulating细菌主导生长，使活性污泥的磷含量高于普通活性污泥。
污泥中的Phosphorus-accumulating细菌在厌氧状态下释放磷，在好氧状态下吸收过多的磷。排出富磷剩余污泥后，比普通活性污泥法可以从污水中去除更多的磷。
氧化沟工艺1953年，荷兰公共卫生工程研究会帕斯维尔研究所提出了氧化沟工艺，又称“帕斯韦尔沟”，1954年，第一座氧化沟废水处理厂在荷兰沃尔肖滕建成。
20世纪60年代，该技术在欧洲、北美、南非等国家得到迅速推广应用，1967年，荷兰DHV公司开发了多通道串联组成的氧化沟系统Carroussel氧化沟，1970年，美国Envirex公司投产了Orbal氧化沟。
交替工作氧化沟由丹麦Kruger公司开发，工艺成本低，维护方便，通常有两沟交替和三沟交替（T型氧化沟）氧化沟系统和半交替工作氧化沟。1969年，美国Barth提出了脱氮的三阶段方法。第一阶段是好氧阶段，主要去除有机物，第二阶段是碱硝化，第三阶段是厌氧反硝化，去除氮。1973年，Barnard在原工艺的基础上，将缺氧和好氧反应器完全分离，污泥返回缺氧反应器，并增加了内部回流装置，缩短了工艺流程，即现在常说的缺氧好氧（A/O）工艺。
20世纪70年代，美国专家基于A/O工艺和除磷成为A2O工艺。1986年成立的我国广州大滩沙污水处理厂使用A2O工艺。当时设计的水处理能力为15万吨，是当时世界上最大的使用A2O工艺的废水处理厂。20世纪70年代中期，德国博托·博恩克教授开发了AB工艺。
之后，为了解决硝化细菌反硝化时需要长泥龄和磷多磷微生物除磷时需要短泥龄的矛盾，开发了AO-A2O工艺，在AO-A2O工艺的基础上，在奥地利开发了混合工艺，1994年荷兰代尔夫特大学开发了厌氧氨氧化（ANAMMOX）技术，厌氧氨氧化菌可以在缺氧环境下将NH4+与亚硝酸盐（NO2-）氧化成氮气。
1998年，荷兰代尔夫特大学根据短程硝化反硝化原理开发了SHARON工艺，第一个项目是在荷兰鹿特丹的DOKHAVEN水厂。紫外线消毒于20世纪70年代和80年代在美国首次应用，现已广泛应用于美国和加拿大。紫外线消毒技术是一种物理消毒方法，具有广谱杀菌能力，无二次污染。经过30多年的发展，已成为一种成熟、可靠、高效、环保的消毒技术，在国外已广泛应用于各个领域。
在我国，由于对其技术了解有限，在污水处理中应用不多。进入21世纪后，随着对污水消毒的日益重视和操作经验的积累，紫外线消毒技术将得到推广。预计未来50%的合格污水处理厂将使用紫外线消毒，并成为取代传统化学消毒方法的主流技术。20世纪80年代，高级氧化技术（AOPS）高级氧化技术在20世纪80年代形成，用于处理有毒污染物。其特点是羟基自由基（OH·）的反应，羟基自由基具有很强的氧化性能。通过自由基反应，有机污染物可以有效分解，甚至完全转化为无害的无机物，如二氧化碳和水。
由于高级氧化工艺具有氧化性强、操作条件易于控制等优点，受到了世界各国的关注，纷纷开展了这一方向的研发工作。高级氧化技术主要分为芬顿氧化法、光催化氧化法、臭氧氧化法、超声波氧化法、湿法氧化法和超临界水氧化法。AOPS技术经济指标先进、无毒无污染，是一种典型的绿色水处理技术。其中，光催化氧化法因其最经济而成为研究热点。
1987电去离子电去离子又称填充床电渗析（EDI/CDI），是一种通过在电渗析器的隔膜之间填充阴、阳离子交换树脂，将电渗析和离子交换有机结合的水处理技术，被认为是水处理领域的革命性创新之一。电去离子的概念早在20世纪50年代就已提出，但其真正大规模应用是在30年前。
1987年，美国米利波尔公司成功研制出第一台商用EDI设备：IonpureCDITM，标志着EDI技术达到了实用水平，EDI技术的研发进入了快速发展期，目前国外领先水平的公司主要有：美国米利波尔、美国Ionics、加拿大E_cell、日本朝日硝酸盐。我国的EDI技术研究起步不算晚，在20世纪80年代初，我国还建立了填充床电渗析实验装置，研究了离子交换导电网状电渗析、纤维填充床电渗析、树脂填充床电渗析，并建立了生产离子交换纤维的生产基地，技术水平在当时应该是国际领先的。但由于种种原因和国内特殊情况，10多年来国内在这方面的研究几乎停滞不前。直到20世纪90年代中期，国外EDI技术才取得突破，并成功应用于许多工业系统。这证明了EDI具有很高的应用价值，国内开始重视它。
自1996年以来，许多研究机构都在从事其研究工作，并取得了良好的成果，近30年来的磁分离技术磁分离技术是近年来发展起来的一种利用废水中杂质颗粒的磁性进行分离的新型水处理技术。
对于水中无磁性或弱磁性颗粒，可采用磁孕育技术使其具有磁性，磁选技术应用于废水处理的方法有三种：直接磁选法、间接磁选法和微生物-磁选法。
目前磁化技术主要有磁团聚技术、铁盐共沉淀技术、铁粉法、铁氧体法等，代表性的磁选设备是盘式磁选机和高层磁过滤器，目前磁选技术还处于实验室研究阶段，不能应用于实际工程实践。
低温等离子体水处理技术低温等离子体水处理技术，包括高压脉冲放电等离子体水处理技术和辉光放电等离子体水处理技术，是利用放电在水溶剂中直接生成等离子体，或将气体放电等离子体中的活性颗粒引入水中，可将水中的污染物完全氧化分解。水溶剂中的直接脉冲放电可在常温常压下操作，在整个放电过程中，无需添加催化剂，即可在水溶剂中生成原位化学氧化物。氧化降解有机物，该技术对低浓度有机物的处理经济有效。此外，应用脉冲放电等离子体水处理技术的反应器形式可灵活调整，操作工艺简单，相应的维护成本也较低。
由于排放设备的限制，该工艺降解有机物的工时利用率较低，等离子体技术在水处理中的应用尚处于研发阶段。人工湿地技术人工湿地是一种环保、节能、循环利用的技术。人工湿地是一种类似于沼泽的地面，通过人工建造和控制，将污水和污泥进行控制，并分配到人工建造的湿地中。在污水污泥流动过程中，利用土壤、人工介质和植物协同处理污水和污泥。
20世纪八九十年代，该技术在欧、美、加、日等国家得到广泛应用，美国、英国、澳大利亚等国家也做出过推论，用人工湿地建造新的景观，将废水处理与旅游景点相结合，组合式软水技术组合式软水设备由自动软水控制器、树脂罐（一般为玻璃纤维树脂罐和不锈钢树脂罐）、强酸性钠离子阳离子树脂、盐罐和软水剂配件组成。
通过流量和时间控制方式向多路伺服阀或电磁阀发送指令，完成软化水设备的供水和再生，是工业锅炉、冷却循环水、炼钢、轧钢、大型变压器、民用热水锅炉等场合应用最广泛的硬水软化设备。前渗透（FO）是近年来发展起来的一种新型concentration-driven膜分离技术，是一种依靠选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力，自发实现水分子转移的膜分离过程，是目前世界膜分离领域的研究热点之一。
与微滤、超滤和反渗透技术等压力驱动的膜分离工艺相比，该技术本质上具有许多独特的优势，如低压甚至无压操作，因此能耗低；几乎完全捕获了许多污染物，分离效果好；膜污染特性低；膜工艺和设备简单等，在许多领域，特别是在海水淡化、饮用水处理和废水处理方面显示出良好的应用前景。再生粉末活性炭水处理技术该技术在国内尚属首创。
粉末活性炭（PAC）具有发育良好的内部微孔结构，比表面积为1000-1500m2/g，使其成为吸附能力较强的吸附材料。PAC能很好地去除相对分子量为500-3000的有机物，主要应用于饮用水除臭、突发水污染应急处理、废水理化处理等领域。PAC的水处理工艺多为间歇运行，可单独添加高锰酸钾或与其他方法（添加高锰酸钾、膜处理、预氯化、预臭氧、添加硅藻土）组合使用来改善水质。
再生粉末活性炭废水处理技术具有高效彻底、材料可再生、再利用、处理成本不高等优点，电子束辐射技术随着大型钴源和电子加速器技术的发展，电子束辐射技术应用中的辐射源问题逐步改善。
辐照技术处理废水中污染物的研究已经引起了各国的重视和重视。电子束辐照（EB）是利用电子加速器产生的高能电子束处理水中有毒有害物质的一种方法。根据其能量作用方式，通常可以分为两类。一类是高能电子束本身直接穿透水来处理污染物；另一类是高能电子束轰击高原子序数金属产生的韧致辐射或x射线来处理污染物。
在水处理中，电子束辐射的辐射方式主要根据水质条件来确定。辐射技术处理污染物是一种清洁、可持续的技术，被国际原子能机构列为21世纪和平利用原子能的主要研究方向。
