下水処理場（げすいしょりじょう）とは、下水道の汚水を浄化し、河川、湖沼または海へ放流する施設のことである。日本の下水道法では、「終末処理場」という用語を用い、「下水を最終的に処理して河川その他の公共の水域又は海域に放流するために下水道の施設として設けられる処理施設及びこれを補完する施設」と定義している。施設名称としては、ほかに浄化センター、水処理センター、クリーンセンター、水再生センターなどと呼ばれている。

 概要 
下水処理場は、下水道の目的における「浄化」を主な目的として建設・運営されるほか、汚水排除における消毒と、内水排除に付随する関連施設のコントロール拠点としての役割を担う。

処理工程を経て浄化された処理水は、消毒して公共用水域に放流されるか、工業用水等の雑用水として再利用される。放流水の利用先として最も高度なものは、上水源としての利用である。大都市では地下水源の利用が難しく、表流水より水質で勝る高度処理水は重要な水資源となっている。そのほか河川維持、修景、防火、消雪、灌漑、などに利用される。処理場内で再利用する場合、目的によっては消毒を省くこともある。

下水処理場の内部には、水処理施設と、水処理の過程で発生した汚泥処理施設を併せ持つ。水処理設備は、最初沈殿池、反応タンク、最終沈殿池、消毒施設などで構成され、汚水を一定基準まで浄化する機能を持つ。汚泥処理施設は、汚泥の濃縮・消化・脱水・焼却・脱臭などを行い、汚泥を減量・安定化したものにする。

 歴史 

中世ヨーロッパでは、コレラ・チフスなどが大流行した時期がある。このとき、上水と下水は明確に区別されておらず、共同井戸から水を汲み、し尿なども含めて開いた水路に流していたため、上水のなかに下水がまざることもめずらしくなかった。

そこで、感染症などの対策として、まず上水と下水を分離することが始まるとともに、下水を暗渠に集めることがなされた。

その後、下水をよりきれいにして河川に放流する技術が進んだ。大きなごみ・砂などを流さないようにするためのスクリーニング・沈殿にはじまり、汚水に含まれる有機物の除去による水質汚濁の改善を下水処理場で行っている。

しかしながら、今もなお、下水道整備が追いついていない都市近郊の河川で、垂れ流される汚水に含まれる有機物が溶存酸素を消費し尽くした結果、酸欠状態に陥り・水中生物の死滅・腐敗による水利障害・悪臭による住環境破壊などの被害が生じている。

日本では1922年（大正11年）3月26日、東京市三河島町に作られた三河島汚水処分工場（現三河島水再生センター）が稼働を開始。同国初の近代的な下水処理場となった。

 水処理施設 
下水処理場における水処理の工程は、最初沈殿池に至るまでに行う、物理的に固形物などを分離・除去する「一次処理(物理学的処理)」、微生物などを利用し、有機物を除去する「二次処理(生物学的処理)」がある。なお、後述のとおり、これら2つで処理で除去できない浮遊物・窒素・リン・有機物などを除去する「三次処理(高度処理)」も行われ始めている。
これら水処理工程を経て、消毒・滅菌し、処理水を河川や海へ放流する。

なお、最初沈殿池の前に、流入下水中の砂を除去する沈砂池や、下水流入量の変動を吸収するための汚水調整池を設けることもある。

これらの水処理において有機物を除去する主な目的に、河川の酸欠防止があげられる。汚水の中の有機物が溶存酸素を消費し尽くすか、著しく低くなると、河川の汚濁を招くためである。これを処理するために、二次処理が考案された。

また、病原体が消毒されずに河川へ流入すれば、感染症の流行に繋がるため、その対策も水処理として行われている。

 最初沈殿池 
主に比重差を利用し、重力沈降により下水中の沈殿性有機物を分離・除去する。反応タンクへ流入する水・汚泥の負荷を調整し、生物処理のための準備をする役目も持つ。ただし、オキシデーションディッチ法（OD法）のように、最初沈殿池のない下水処理場も存在する。

 反応タンク 
曝気槽とも言う。微生物などにより、下水中の有機物・窒素・リンを中心とした汚濁物質を処理する。

 最終沈殿池 
反応タンクで処理された活性汚泥の分離を行い、澄んだ処理水にする。

 濾過施設 
施設内で使用する水のためのものと、後述する、高度処理の一環として設置されているものがある。

 消毒施設 
放流する水を滅菌し、安全性を確保するための施設。塩素消毒が一般的であるほか、紫外線消毒・オゾン消毒といった消毒方法や、二酸化塩素や臭素系などの薬剤による消毒、膜で細菌を濾過・除去する方法などがとられている。

 高度処理施設 
主に処理水の活用や放流先の環境保全（特に閉鎖性水域（湖沼、閉鎖性の湾など）における富栄養化対策を主眼とすることが多い）を目的として、二次処理に付加し浄化を行うための施設。当然に相応の費用が求められるため普及は捗らなかったが、2003年の下水道法改正で促進される見通しとなった。

方法としては、反応タンクの処理方式の改良、濾過、凝集剤による沈殿促進などがある。

下水道の高度処理は京阪神地区に水道水を供給する琵琶湖を擁する滋賀県で、琵琶湖に排水される生活排水の中の窒素リンが原因で赤潮やアオコなどのプランクトンが大量発生。その対策として「滋賀県琵琶湖の富栄養化の防止に関する条例(琵琶湖条例)」と共に下水道整備と高度処理設備の設置が進められ、現在では琵琶湖に注ぐ下水道はすべて高度処理が施されている。また琵琶湖から流れる淀川水系の流域下水道では6ヶ所で高度処理設備は導入され、京都市の4ヶ所の下水処理場でも高度処理が行われ、鳥羽水環境保全センター吉祥院支所と伏見水環境保全センターでは匂いや染料の色度除去・消毒のためにオゾン処理が施されている。

 下水処理場での水処理 
下水処理場で行われる水処理には、物理的処理・生物的処理・化学的処理・消毒がある。

 物理的処理 
主に比重差を利用し、重力沈降により下水中の沈殿性有機物を分離・除去する「沈殿」が代表的である。浮遊性や溶解性の物質には効果が薄いが、ごく低コストである程度の浄化を行うことが出来る。その他、浮上、濾過などの物理的作用による処理工程が汚泥処理や高度処理で採用されている。

 生物的処理 
多くの有機物が微生物の生存と増殖で代謝・資化されることを利用し、下水中の溶解・浮遊性有機物を培養した微生物の餌とすることで水と炭酸ガス等に酸化分解する方式で、活性汚泥法が代表的である。「生き物」である微生物を適切に育成・管理する必要があるが、比較的低コストでかなり高度な浄化を行うことが出来るため、ほとんどの処理場で主処理（二次処理）工程として採用されている。生物的処理では細菌から原生動物、あるいは微小生物が混在して存在し、代謝・資化による物質循環と食物連鎖が成立していると考えられる。これらは多様な種に及び、無数の新種を抱えている模様だが、実務的には視覚的特徴に基づき分類・管理されている。

以下、生物的処理の詳細について詳述する。

 浮遊生物法 
水を曝気・エアレーションにより酸素を溶解させ、同時に攪拌混合するエアレーションタンクを設け、その中に主に好気性微生物を浮遊滞留させて汚水を処理する方式。活性汚泥法と酸化池に分類される。このうち、活性汚泥法には次の方法がある。
標準活性汚泥法
基本となる方式で、汚水を6～8時間程度滞留させてその間に浄化する。
ステップエアレーション法
標準活性汚泥法の発展版。エアレーションタンクを4つ位に分割し、それぞれに汚水を流入させる方式。標準活性汚泥法よりも処理負荷をやや高くすることができる。
長時間エアレーション法
標準活性汚泥法の発展版。汚水を24時間程度滞留させて安定した処理を目指す小規模向きの方式。
酸素活性汚泥法
密閉したエアレーションタンクに純酸素を吹き込んで処理を行う方式。滞留時間を標準活性汚泥法の半分以下に抑えられるため、設備の設置面積を小さくできる。少ない。
オキシデーションディッチ（OD）法
流れるプールのような循環水路を用いた小規模向きの方式。小規模処理場では最も採用例が多い。
回分式活性汚泥法
ひとつのエアレーションタンクで生物処理と固液分離の行程を交互に行う小規模向きの方式。
膜分離活性汚泥法
固液分離を分離膜により行い、高濃度の活性汚泥で高い処理負荷（すなわち、小さい反応タンクと最終沈殿池以降の工程が不要な設備で標準活性汚泥法と同等以上の処理水質が得られること）を達成できる方式。

 生物膜法 
接触材・濾材を配した水路や水槽、あるいは濾材を組み上げた濾床を設け、接触材表面に多様な微生物から成る生物膜を成長させて汚水を処理する方式。生物膜とは水中の固体表面に自然発生する、例えば川底の茶色いコケと同様のもので、好気から嫌気まで多種の微生物で構成される。接触材は水流と生物膜の重量に耐えるものとして、砕石やプラスチックが主に使われる。生物膜と汚水の接触方法、酸素の供給方法によりいくつか種類があり、生物膜が常に水面上にある、常に水面下にある、その中間、の3つに大別できる。それぞれ代表例を以下に記す。

散水濾床法
最初期の下水処理場で使用された生物処理法で、砕石に汚水を散水し空気中の酸素を利用する。処理水の水質が悪く、現在は採用されることがない。
接触酸化法
水槽中に接触材を沈め、曝気攪拌する。設備面では標準活性汚泥法と似ている。
好気性濾床法
下部から曝気を行っている濾床に汚水を通水することで、濾過と生物処理を同時に行う方式。最終沈殿池が不要である。
回転生物接触法・回転円板法
汚水に一部を浸した円板を横軸回転させ、生物膜に汚水と空気を交互に供給する。

 担体法 

浮遊生物法と生物膜法の中間的な方式で、微生物を担持させた担体を水中で流動させ、汚水を処理する。担体の形状や材質
により、担体密度や撹拌方式（無撹拌～浮遊生物法なみ）により、担持させる微生物の種類により、多様な手法が開発・運転されている。
実施設では既存曝気槽を改造し担体を投入する例が多く、そのほか民間ではプラントとして有用物質製造を行う例まで幅広い。

結合固定化方法
微細なスポンジを曝気槽に投入し、中に生物膜を生育させて利用する例に代表され、下水処理向き。
包括固定化方法
工場で培養した微生物を担体と成形し利用する。生物反応塔での物質生産などで主流の方式。

 化学的処理 
薬品による放流水の消毒や、高度処理における金属イオンによるリン酸イオンの難溶化処理などがあげられるが、現代では有機物の浄化を行う主処理としては用いられていない。

 消毒 

処理水質への要求水準は多様だが、衛生的観点からは病原体の含まれないことは特に重要であり、消毒設備が設けられる。消毒とは人体への感染危険性を低減するもので、医学的・生物学的意味での滅菌とは異なる。病原体とは一部の細菌、ウイルス、原生生物や寄生虫などを指すが、中には消毒の難易度が高いものもある。

消毒効果を計る指標として大腸菌群が用いられる。培養と検出が容易で普遍的な腸内細菌であることを利用し、消化器系病原菌の残存を間接的に検出する。

塩素消毒
次亜塩素酸による酸化および酵素反応の阻害による。次亜塩素酸は不安定なので固形塩素（次亜塩素酸カルシウムやトリクロロイソシアヌール酸の製剤）、次亜塩素酸ナトリウム、液化塩素、などを水に溶解させて生じさせる。これらの使い分けは主に施設規模に依り、後のものほど大規模処理向きである。

次亜塩素酸はpH7.5程度を境に消毒力が急減する（約100分の1）性質を持つほかアンモニアと反応してクロラミンに変化するため、処理水質の悪化などでアンモニア態窒素が大量に残留すると、影響が大きい。

また、細菌に対しては数mg/L以下でも効果を発揮するが、ウイルスを消毒するには200mg/L程度必要とされ、下水処理場の塩素消毒レベルでは事実上効果がない。これはウイルスは阻害されるべき酵素反応を行っていないため、生物学的に消毒（いわば毒殺）することが出来ず、化学的な酸化力により分解することで消毒するしかないためである。

このため、SRSV（ノロウイルス）などに対応するためには、それに適した消毒法・設備が必要となる。

紫外線消毒
核酸が波長253.7nmの紫外線を吸収することで遺伝情報が損傷し、不活化する。このためウイルスに効果的で、その他にもハロゲン副生成物を生じず混和時間・設備が不要などの特長を持ち、雨天時放流水へも利用される。

紫外線は透過力が小さく、光をさえぎる懸濁物質に弱いため、固液分離不調による影響が特に大きい。また、残留消毒力を持たず、残留塩素濃度のような管理指標も無いため、後段に補完的な塩素消毒設備を追加する事もある。なお、一度不活化した細菌が日光などで再活性化する現象が知られているが、増殖能力の回復には至らず感染リスクは低いとされる。

オゾン消毒
オゾン分子や発生ラジカルにより、病原体の体そのものを酸化分解するもので、消毒以外にも高度処理で利用されている。オゾンは空気または分離した酸素から無声放電によりオンサイトで製造し使用する。オゾンは有害なので、処理水への溶解・反応設備の他に余剰ガスの分解設備や濃度監視装置などが必要となる。

オゾンによる酸化分解反応の効率は、化学反応の原則に従い水温に依存し、冬季など低温下で消毒力が低下するため、保温などの対策が必要となる。