19世纪城镇化和工业化的大规模发展和严重扩张导致了环境恶化、流行病肆虐。为应对此问题，环境领域的技术研究工作逐渐展开。活性污泥法的诞生距今已有一百年，仍保持着污水处理技术的核心地位。活性污泥是来自污水的惰性固体与在污水中可生物降解的底物上生长的微生物群体的混合物，污水处理过程中的污泥回流工艺是Arden和Lockett的发明。
随着目前全球人口的急剧膨胀，已经迫使我们必须尽快建立一个更加可持续发展的社会生态，也迫使我们尽快在水处理领域做出新的变革，这些变革的背后驱动力来自于两方面：整体工艺改进；提升资源回收效率。
“污水处理（主要采用活性污泥法）与给水处理”两个领域的共同发展，是上个世纪人类平均寿命延长和人类活动对环境影响最小化的主要贡献因素。污水处理本身是一个相对低成本的工艺，在荷兰，每人每年污水处理的成本只有50~70欧元，能源消耗也有限（＜7W/人）。而污水处理的主要局限性是较大的前期投资成本（通常在20年内从居民缴费中得以回收）和构筑物占地需求（主要是用于基于重力沉降的泥水分离工艺段）。目前，已有一些工艺可以将泥水分离工艺段进行紧凑型优化，比如膜分离工艺。虽然在技术上可行，但是实际操作过程中，膜分离工艺会因为高能耗和高投资而令人望而却步。
活性污泥中微生物群落的形态发生是一个基于生物、化学和物理相互作用的复杂过程。直到近年，工程师们才能够做到通过调整微生物结构，来形成稳定的颗粒污泥，而不是以前的絮体污泥（如图1）。颗粒形态的污泥可以使整个反应更加紧凑，大大加快泥水分离的过程，进而有效减少池体占地面积和投资成本（大约能分别降低75%和25%）。
图1 荷兰Garmerwolde污水处理厂的两个反应器
（好氧颗粒污泥技术）
活性污泥技术基于复杂的微生物生态过程，其中污水和微生物被不断循环到具有不同氧化还原条件的反应器中。而现代基因学的一些研究工具有助于我们提高对有机碳、氮、磷酸盐之间内部反应的认识，进而优化反应过程。此外，在颗粒污泥技术中，这些反应都集成在颗粒内部。由于颗粒内部存在不同的氧化还原条件，化合物的传输将通过扩散作用完成，替代了传统反应中需要在不同反应器之间泵送污水和活性污泥来进行化合物传输的过程，从而使能量需求最小化。
活性污泥法是一项循环性技术，它让水、能源、化学物质在整个反应中不断循环，从而形成一个闭环。而我们日益增长的人口正好需要更多的能源，因此如何留住能源并进行利用变得越来越重要。高效的污水处理工艺可以采用膜等技术，对水进行回收。另外，通过对其他种类水资源的利用，也可以进一步减缓水压力。例如，雨水或海水收集用来冲厕。污泥处理产沼气也是另一种产能方式，在20世纪70年代，出现了一种两段法活性污泥工艺，以沼气的形式最大化回收能量，但由于需要补充有机碳，人们对该工艺的兴趣逐渐减弱。近来，随着Anammox技术的不断发展，进一步使得能量自给的污水厂更具有可实现性和可操作性。
虽然目前污水处理厂的能源回收和生产已经受到极大关注，但不应忽视污水和污泥中的资源回收。资源回收对于构建可持续发展社会而言甚至更为重要。从污水中回收磷酸盐越来越常见，并且还逐渐出现了从污泥中回收或生产其他有价值的材料，例如纤维素的回收、生物塑料和生物聚合物的制造。初步结果表明，这些有价值的产品可以按照当前市场需求的数量和价格成本进行生产与制造（如图2）。
图2 鸟粪石（A），聚羟基烷酸酯生物塑料（B）和藻酸盐聚合物（C）
众所周知，高收入工业化国家的污水处理设施覆盖率高，几乎所有的废水处理都处于先进水平（碳、氮和磷去除），与这些国家相比，发展中国家和转型期国家污水处理覆盖率和污水处理总量都非常低（小于10％）。在发展中地区，集中式传统活性污泥工艺（CAS）正在与分散式工艺竞争。而仅简单地复制CAS设计往往未结合考虑当地条件的差异，例如污水特性和温度。此外，向污水处理厂中倾倒大量的腐化污泥，以及水厂运行人员缺乏对CAS系统的经验，这些问题都会导致系统无法成功运行。
发展中国家CAS工艺系统无法正常运行的主要制约因素还来自当地负责机构的治理不善。然而，大多数这些发展中国家的经济和技术水平已经远高于一个世纪前的欧洲和美国。长期的环境投资对经济发展有利，因为只有改善了公共卫生，才能提高社会的生产力。成本回收结构和正确的基础设施资产管理（即治理）是成功应用活性污泥工艺的主要先决条件。
解决这些问题的方案可能包括建造更小、更简单的分散系统，并由社区进行管理，从而使成本最小化（例如，厌氧处理工艺或好氧颗粒污泥工艺需要的机械设备和进口数额都会小很多）。另一个方案是提高资源回收和能源利用率（例如，超高温产沼气技术）。
