Hệ thống thoát nước cơ bản đã được sử dụng để loại bỏ chất thải trong vùng Lưỡng Hà cổ đại, nơi các đường hầm theo chiều dọc mang chất thải đi vào hầm chứa, Hệ thống tương tự tồn tại trong nền văn minh thung lũng sông Ấn của Ấn Độ cho đến ngày nay và Crete cổ đại, Hy Lạp. Trong thời trung cổ các hệ thống thoát nước được xây dựng bởi những người La Mã đã bị bỏ đi và rác thải được thu gom vào hầm chứa được định kỳ làm sạch bởi những người lao động được gọi là 'rakers' những người này thường sẽ bán các chất thải làm phân bón cho nông dân bên ngoài thành phố.

Hệ thống xử lý nước thải hiện đại đầu tiên được xây dựng vào giữa thế kỷ XIX như một hành động nhằm đáp ứng đối với điều kiện vệ sinh ngày càng trầm trọng gây ra bởi công nghiệp hóa và đô thị hóa. Do nguồn cung cấp nước bị ô nhiễm, dịch bệnh tả xảy ra vào năm 1832, năm 1849 và năm 1855 tại London, giết chết hàng chục ngàn người. Những điều này kết hợp với 'vụ hôi lớn"(Big Stink)[2] năm 1858 tức là khi mùi hôi của chất thải con người chưa được xử lý ở sông Thames trở nên không thể kiểm soát và bài báo cáo về cải cách vệ sinh của uỷ viên hoàng gia Edwin Chadwick đã dẫn đến việc Ủy ban công trình đô thị bổ nhiệm Joseph Bazalgette[3] để xây dựng một hệ thống thoát nước ngầm rộng lớn nhằm loại bỏ chất thải một cách an toàn. Trái với các khuyến nghị của Chadwick, hệ thống Bazalgette và những cái khác sau đó được xây dựng trong lục địa châu Âu, không bơm nước thải vào đất nông nghiệp để sử dụng làm phân bón chỉ đơn giản là một đường ống thoát nước tự nhiên ra xa khu dân cư và bơm trở lại vào môi trường.

Nỗ lực ban đầu

Một trong những nỗ lực đầu tiên để xử lý nước thải là sử dụng làm phân bón trong nông nghiệp đã được thực hiện ở các nhà máy sợi chủ sở hữu James Smith trong những năm 1840. Ông đã thử nghiệm với một hệ thống phân phối bằng đường ống ban đầu được đề xuất bởi James Vetch[4] thu nước thải từ nhà máy của mình và bơm vào các trang trại xa xôi hẻo lánh, thành công của ông đã được sự ủng hộ nhiệt tình của Edwin Chadwick và được hỗ trợ bởi nhà hóa học hữu cơ Justus von Liebig.

Ý tưởng này được chính thức thông qua bởi Ủy ban Y tế của thị trấn, và các chương trình khác nhau (được gọi là các trang trại nước thải) được thử nghiệm bởi các thành phố khác nhau trong vòng 50 năm tới. Lúc đầu, các chất rắn nặng đã được chuyển vào mương ở phía bên của trang trại và được bao bọc toàn bộ khi đầy, nhưng ngay sau đó, bồn đáy phẳng được sử dụng như là hồ chứa nước thải; sáng chế đầu tiên đã được đưa ra bởi William Higgs vào năm 1846 " bồn " hoặc các hồ chứa trong đó dùng để chứa nước các của hệ thống cống rãnh từ các thành phố, thị trấn làng mạc được thu gom và là nơi tích trữ các sản phẩm từ động thực vật được làm khô và hóa rắn..."[5] Cải tiến thiết kế của bể chứa bao gồm ra đời của bể chứa có dòng chảy theo phương ngang trong những năm 1850 và các bể chứa có dòng chảy hướng tâm trong năm 1905.Các bồn chứa được làm sạch định kì cặn bùn bằng tay, cho đến khi sự ra đời của máy làm sạch bùn tự động trong những năm 1900.[6]

Tiền thân của bể tự hoại hiện đại là hầm chứa phân, trong đó nước được bịt kín để tránh ô nhiễm và chất thải rắn từ từ hoá lỏng do các quá trình phân giải kỵ khí, nó được phát minh bởi LH Mouras ở Pháp trong những năm 1860. Donald Cameron, ở thành phố Surveyor thuộc Exeter sáng chế một phiên bản cải tiến vào năm 1895, cái mà ông gọi là một "bể tự hoại"; tự hoại có ý nghĩa là do vi khuẩn. Hiện nay vẫn còn sử dụng trên toàn thế giới, đặc biệt là ở khu vực nông thôn chưa được nối với hệ thống xử lý nước thải quy mô lớn.[7]

Xử lý hóa học

Edward Frankland (1825 - 1899)

Mãi cho đến cuối thế kỷ 19 mà người ta có thể xử lý nước thải bằng việc  phân hủy hóa học  thông qua việc sử dụng các vi sinh vật và loại bỏ các chất gây ô nhiễm. Xử lý bằng đất cũng đã dần trở nên kém khả thi như các thành phố lớn và khối lượng nước thải sản xuất có thể không còn được hấp thụ bởi đất nông nghiệp ở vùng ngoại ô. Ông Edward Frankland tiến hành thử nghiệm xử lý nước thải tại trang trại ở Croydon, Anh, trong những năm 1870 và đã có thể chứng minh rằng lọc nước thải qua sỏi xốp tạo ra nên dòng nước nitrified (amoniac được chuyển đổi thành nitrat) và bộ lọc không bị tắc nghẽn trong khoảng thời gian dài.[8] Điều này củng cố khả năng một cuộc cách mạng xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học sử dụng trên cơ sở sự tiếp xúc để oxy hóa  rác thải. Khái niệm này được nhà hóa học người đứng đầu Ủy ban công trình đô thị  London, William Libdin đề xuất năm 1887.

trong tất cả những phương án đó cách thực sự để làm sạch nước thải là… đầu tiên sẽ được tách bùn và sau đó nước thải được chuyển sang trạng thái trung hòa … nước thải được lưu giữ trong thời gian đủ lâu được cung cấp khí đầy đủ, và cuối cùng được xả vào môi trường khi đạt điều kiện cho phép.Những điều ở trên thực chất là để hoàn thành mục đích và tất nhiên việc thực hiện không hoàn toàn trọn vẹn để xử lý nước thải ở một trang trại.[9]

Từ 1885-1891, làm việc trên nguyên tắc này được xây dựng trên khắp nước Anh và ý tưởng cũng đã được đưa ra giới thiệu ở Mỹ tại Trạm thí nghiệm Lawrence ở Massachusetts, nơi mà phương pháp này được khẳng định. Năm 1890 LES phát triển phương pháp  " lọc nhỏ giọt"  với một hiệu suất đáng tin cậy hơn nhiều.[10]

Trên cơ sở đó nó đã được phát triển ở Salford, Manchester cùng với  các nhà khoa học làm việc cho hội đồng thành phố London trong những năm đầu thập niên 1890. Theo Christopher Hamlin, điều này là một phần của một cuộc cách mạng tư tưởng thay thế cho quan niệm đã có từ trước, "xử lý nước thải" là việc ngăn chặn sự phân hủy sang việc cố gắng  tạo  điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy sinh học nước thải một cách tự nhiên.[11]

Trên cơ sở trước đó, các bồn chứa các chất trơ chẳng hạn đá hoặc đá phiến, được tối đa hoá diện tích bề mặt sẵn có cho sự phát triển của vi sinh vật để phân hủy nước thải. Nước thải đã được chứa trong hồ cho đến khi nó được phân hủy hoàn toàn và nó sau đó được lọc đưa ra ngoài. Phương pháp này nhanh chóng trở nên phổ biến, đặc biệt là ở Anh, được sử dụng ở các nơi như Leicester, Sheffield, Manchester và Leeds.Cùng với đó là việc đồng thời phát triển vi khuẩn bởi Joseph Corbett  một kỹ sư  ở Salford với những thí nghiệm  vào năm 1905 cho thấy rằng phương pháp của ông hiệu quả hơn trong đó khối lượng lớn nước thải được xử lý tốt hơn, có thể đạt được điều này do sự tiếp xúc trong thời gian lâu hơn.[12]

Ủy ban Hoàng gia về xử lý nước thải công bố báo cáo lần thứ tám của nó vào năm 1912  thiết lập điều  tiêu chuẩn quốc tế khi xả nước thải ra sông;  " tiêu chuẩn 20:30", cho phép 20 mg nhu cầu oxy sinh hóa và 30 mg chất rắn lơ lửng trên  mỗi lít nước thải.[13]