Les stations d’épuration fonctionnent suivants différents procédés d’épuration en fonction de leur grandeur et de la charge polluante raccordée.
Traitement par le procédé des boues activées
Après prétraitement, les eaux usées sont dirigées vers un bassin d'aération où elles sont mises en contact avec une biomasse responsable de l'épuration. Dans ce réacteur, la pollution dissoute est assimilée par la culture bactérienne en suspension formant des agglomérats. Les bactéries trouvant une nourriture abondante se multiplient et conditionnent la boue d’épuration. Les flocs peuvent alors être séparés de l'eau dépolluée par décantation. La boue décantée est recirculée afin de permettre le réensemencement du bassin d'aération. Périodiquement, les boues en excès sont extraites pour rejoindre le traitement des boues.
Dans le bassin d'aération, la fourniture en oxygène est assurée par des unités électromécaniques : aérateurs de surface (turbine ou brosse), ou insufflation d'air (surpresseur + diffuseurs immergés).
Le fonctionnement intermittent des aérateurs assure les réactions d'élimination de l'azote par nitrification (marche de l'aération - transformation bactérienne de l'azote ammoniacal en nitrates), puis par dénitrification (arrêt de l'aérateur - transformation bactérienne des nitrates en azote gazeux).
L'installation d'un brasseur dans le bassin d'aération autorise en permanence un bon contact entre les bactéries et la pollution à éliminer.
Traitement par le procédé des biofiltres
Après les prétraitements et généralement une étape de décantation primaire, les eaux usées sont traitées sur un étage de biofiltre.
Ce traitement consiste à faire transiter les eaux usées dans une cuve contenant un matériau filtrant immergé, support de développement d'un film biologique. Le film biologique permet donc l'assimilation de la pollution et la filtration de la boue produite d'où le terme "biofiltre". Les besoins en oxygène sont assurés par insufflation d'air (air procédé). Plusieurs fois par jour, un lavage à l'eau traitée (eau de lavage) et à l'air (air de lavage) est nécessaire pour éviter le colmatage et pour éliminer les boues en excès.
Les eaux sales retournent en tête de traitement afin que les boues biologiques soient piégées dans le décanteur primaire.
Traitement par le procédé des disques biologiques
L'eau usée, préalablement décantée, alimente un ouvrage dans lequel des disques fixés sur un axe sont mis en rotation à vitesse lente. Sur ces disques biologiques en plastique se développe alors un film bactérien. Lors de leur émersion, ces bactéries prélèvent l'oxygène nécessaire à leur respiration et lors de l'immersion, elles absorbent la pollution dissoute dont elles se nourrissent.
Dès que le film biologique dépasse une épaisseur de quelques millimètres, il se détache et est entraîné vers le décanteur final où il est séparé de l'eau épurée. Les boues ainsi piégées sont renvoyées par pompage périodique vers le décanteur-digesteur pour y être stockées et digérées.
Traitement par le procédé des lits bactériens
Ce procédé consiste à alimenter en eau usée, préalablement décantée, un ouvrage contenant une masse de matériaux (pouzzolane ou plastique) servant de support aux micro-organismes épurateurs qui y forment un film biologique responsable de l'assimilation de la pollution.
L'aération naturelle se fait grâce à des ouïes d'aération. Le film biologique se décroche au fur et à mesure que l'eau percole. En sortie du lit bactérien se trouve un mélange d'eau traitée et de biofilm. Ce dernier sera piégé dans le décanteur sous forme de boues et l'eau traitée rejoint le milieu naturel.
Les boues décantées sont renvoyées par pompage périodique vers le décanteur digesteur pour y être stockées et digérées.
Traitement par le procédé du lagunage naturel
Phénomène naturel, l'épuration par lagunage est réalisée grâce à un équilibre biologique, auquel participent des bactéries, du zooplancton, des algues et éventuellement des roseaux.
Les matières en suspension de l'eau brute décantent dans le bassin de tête. Les bactéries assimilent la pollution dissoute, et l'oxygène nécessaire à cette dépollution est fourni par les algues (photosynthèse). Le zooplancton consomme les algues. Eventuellement, les roseaux peuvent filtrer l'eau en sortie avant rejet.
L'ensemble de ces phénomènes apparaît dans deux ou trois bassins en série, ce qui autorise l'étagement des phénomènes épuratoires.
Le lagunage naturel peut être utilisé en traitement complet des effluents ou en traitement tertiaire pour affiner la qualité de l'eau traitée par une boue activée (par exemple pour la désinfection).
Filtres plantés de roseaux
Le procédé biologique à cultures fixées sur supports fins est basé sur la percolation de l'eau usée au travers de massifs filtrants colonisés par des bactéries qui assurent les processus épuratoires.
A la différence des lits d'infiltration, la caractéristique principale des filtres plantés de roseaux réside dans le fait qu'ils peuvent être alimentés directement avec des eaux usées brutes sans décantation préalable et après un simple dégrillage.
Ceci est rendu possible par la plantation de roseaux dont l'important système racinaire se développe dans le massif filtrant. Il comporte des tiges souterraines (rhizomes) à partir desquels se développent des tiges qui viennent perforer les dépôts superficiels et ainsi créent des passages pour l'eau en évitant le colmatage.
Les filtres plantés de roseaux comportent 2 étages en série, chacun étant en général constitué de 3 filtres en parallèle. Le massif filtrant des filtres du 1er étage est constitué de graviers reposant sur une couche drainante mise à l'air par des cheminées d'aération. Ceux du second étage complètent le traitement, en particulier, la nitrification des composés azotés, et sont donc constitués de sables, plus fins.
Comme les lits d'infiltration, les filtres plantés de roseaux doivent être alimentés en alternance (changement de ligne de filtres 2 fois par semaine) et par bâchées pour répartir correctement les eaux.
Les filtres sont toujours étanchéifiés et drainés.