污水自然处理技术是利用污水中潜在能量（以污水中的氮、磷营养盐为代表），以及来自大自然的太阳、风和重力的能量，对污水进行处理，以获得最大效益的一类处理技术。由于太阳能极为丰富，可以说是取之不尽、用之不竭，又是清洁能源；风能是太阳能的一种转换形式，潜在能量巨大，加以自然处理又开发了废水中潜在的化学能，所以，自然处理比起机械处理（例如活性污泥法等常规二级生物处理），基建投资少，消耗的外加化石燃料能量也少得多，运行费用低廉。管理措施简便，而且处理起到同样的效果。因此，污水自然处理技术是目前最易于实现也是最有效的方法之一。
自然处理具有水生、陆生和湿地处理三个系列。常用的具体技术包括：稳定塘技术，水生植物处理技术，土地处理技术，湿地处理技术，防治富营养化水体生态工程和污水处理与利用生态工程等，主要是20世纪80年代以后发展起来的新技术。
水生植物处理是将一种或几种水生植物栽植于浅塘，污水在其中停留较长的时间，通过多种处理，包括同化和贮存污染物，向根区输送氧和为微生物提供活的载体等，使污水得到有效的净化。近几十年来受到了广泛迅速的研究和开发，利用这种技术处理的污水已逐渐发展到城市污水和多种工业废水。据1987年美国报道，美国佛罗里达州已有每天处理几百万立方米污水的大型凤眼莲塘设施，处理设施的地理分布范围也已从热带、亚热带地区逐步扩大到温带地区。
大量的国外研究证明，水生植物对多种污染物质，氮、磷等营养元素有很强的吸收净化能力。例如凤眼莲每天每平方米可以去除BOD5（五日生化需氧量）42.82千克，氮9.92千克，磷2.94千克。据荷兰报道，某处理厂用香蒲和浮萍处理生活污水，停留10天以上，BOD5去除率可达79.8％，总氮去除率95％，大肠杆菌去除率98％。水生植物对有毒物质有很强的吸收、分解净化能力。如水葱可在浓度高达600毫克／升的含酚废水中正常生活生长，每100克水葱每100小时可净化一元酚202毫克。1公顷凤眼莲一昼夜可吸收酚100千克。水生植物对重金属有极强的富集能力。如凤眼莲在汞0.1ppm，铅0.5ppm、镉0.1ppm、铜0.2ppm、砷0.2ppm、铬1ppm的混合污水中，对这几种毒物都具有一定的吸收富集能力，富集倍数为几十倍、几百倍到上千倍。
利用水生植物处理污水时，由于塘中可产生大量的植物体，可以加以综合利用，是实现污水资源化的重要途径。所有的水生植物都可以作为能源，通过发酵产生沼气。以凤眼莲为例，按亩产4万千克计算，可产生沼气748立方米，折合成标准煤2241千克。大多数水生植物可以作肥料。相当多的水生植物可以作为饲料。20世纪80年代以来国外更重视开发水生植物体作为生产酒精生长激素、药用化合物，抗癌药物等，认为具有十分广阔的前景。例如美国和加拿大科学家报道，净水植物香蒲根状茎的80％能转化成可以发酵的糖类，其质量的24％～54％可转化成乙醇，他们正把这类水生植物看成有希望的能源植物来加强研究，以提高经济效益。
20世纪80年代以来，我国兴建水生植物塘处理工业废水的研究和应用较多，涉及多种工业废水。国家环境保护局南京环境科学研究所等于1989年～1990年在江苏省丹阳市茅东缫丝厂，利用该厂附近一条长约1000米，宽5～6米的明沟，放养以凤眼莲为主的水生植物，处理缫丝废水，获得较好的净化效果，污染物去除率为：TSS（总悬浮物）95.7％、COD92.9％、BOD5（五日生化需氧量）96.6％、总氮85.6％、氨氮79.8％、总磷86.6％和磷酸盐88.7％，出水达到排放标准，所收获的凤眼莲作为青饲料养鱼也取得了显著的经济效益。中山大学于1992年在广东韶关铅锌矿前此几年所建的面积131亩水生植物塘和稳定塘复合系统中，向塘中主要引种宽叶香蒲，并长有少量芦苇，日处理该矿排出废水2.98万吨，水力停留时间5～7天，水生植物塘水深约10厘米，稳定塘水深约2.5米，三年半的连续运转和观测结果表明，废水中的总的悬浮固体（4635毫克／升）、COD（14.5毫克／升）、铅（1.6毫克／升）和锌（1.9毫克／升）在出水口分别降低了99％、55％、95％和80％，出水水质比工业排放标准低得多，净化效果很好。
自然污水处理的主要缺点是占用的空间和花费的时间较多，也易受气候因素的影响，如凤眼莲具有不耐寒的严重弱点，其抗盐分能力也不高，这些都是技术发展中人们注意解决的焦点。尽管如此，随着科学技术的进步，将逐步克服弱点，进一步运用这种新技术处理污水，前景十分广阔。
一、水体富营养化防治生态工程
水体富营养化通常是指湖泊、水库和海湾等封闭性或半封闭性水体，以及某些河流水体内的氮、磷营养元素的富集，水体生产力提高，某些特征性藻类（主要是蓝藻、绿藻）异常增殖，使水质恶化的过程。
富营养化防治的目的是满足对水的使用，要强调“适度控制”。也就是说，水也并不是越贫营养越好。例如，作为水源地的水体应尽可能地贫营养，但是为了提供蛋白质而发展渔业和水的水体，却允许一定程度的富营养化，但不可过分。富营养化防治的对策是以防为主，综合治理。生物利用技术是国际上公认的有效防治措施之一，尤其像大型水生植物，它们具有极强的吸收和富集养分的能力，又有较长的营养周转期，从水中提取和利用它们要比浮游植物容易得多，所以，无论国内外，大型水生植物都是用来防治水体富营养化的主要植物种类。
在浅水型的富营养湖泊，通常种植高等水生植物（也称为大型水生植物），如莲藕、蒲草等，随着这些水生植物收获，氮、磷营养物也就随水生植物体一起离开了湖泊水体。南京莫愁湖是一个富营养状态的小型湖泊，曾在湖内种植莲藕，每年收获约25万千克，随藕从湖中带出的氮达60多吨，磷1吨，经过三年时间，水色由原来的14级上升到11级，透明度由0.25米上升到1米，悬浮物由14毫克／升下降到3.8毫克／升，湖水感官性状有了很大的改善。
富营养化防治生态工程对大型水域同样有效。据日本科学家1989年报道，举世闻名的日本国最大的淡水湖泊琵琶湖，近年来也已富营养化。他们从周围通向琵琶湖的30个大小不等的湖泊中，选择最大的湖实施生态工程。该湖面积约290公顷，湖中芦苇生长繁茂，约覆盖167公顷。据调查监测进、出此湖的河流水质变化结果，总氮由平均1.95毫克／升降到1.41毫克／升，降低27.7％；总磷由平均0.104毫克／升降到0.060毫克／升，降低42.3％；其氮、磷自净率分别是28.85和32.5％，这是此湖中浮游植物、水底大型植物和芦苇当来水通过时的综合作用结果。此外，收获芦苇每年还可去除总氮16.4吨，总磷2.3吨；总计每年通过收获芦苇、珍珠蚌、衣绿藻和鱼可从湖中去除总氮31.2吨，总磷4.09吨，既保护了琵琶湖水质，又有经济效益。
1990年夏，由于水质富营养化，江苏太湖梅梁湾藻类大暴发，导致滤池阻塞，无锡市自来水供水锐减，水质陡降，影响居民用水并使116家工厂停产或半停产，直接经济损失达1.3亿元。中国科学院南京地理学湖泊研究所在太湖马山水厂水源设计和运行了改善湖泊饮用水源水质的物理——生态实验工程：据资料表明，多年来经受住了多次大风浪考验。工程能有效地削减进入自来水厂水源的藻类，除藻率平均达59％～78％以上，对总氮、总磷、氨氮、BOD5等水质指标均有改善。其特点是凤眼莲可在有大风浪的大水面旺盛生长，起到净化和克藻的作用。
污水自然处理技术包含多种技术，现在趋向于综合化、一体化。在发展新技术中，应该兼收并蓄。工业上为了污染防止，正在倡导清洁生产，包括一定范围内的闭路循环，自然处理是其组织内容之一。甚至美国NASA所积极研究的宇航器密封舱中，自然处理中的水生植物处理技术，也早已被组合进去。因为在长期宇航条件下，太阳能是极为充沛的，如与凤眼莲等植物的光能利用和转化高效率相结合，长时间载人宇宙航行难题的解决，并不是无望的。
在自然污水处理技术逐步提高的同时，随着科学技术的迅速发展，科学家们正在探索各种防治污水的新途径，各种高新技术纷纷问世，令人瞩目。
美国一国家实验基地最近建立了两种不同的装置，利用阳光的紫外线来分化污水中的化学毒物获得成功，使环保主义者们想利用廉价太阳光能处理污水的美梦变为现实。这两种装置，一种是具有可移动的反光镜组的装置把阳光聚射在似瀑布流下的污水中；另一种则是利聚光镜把阳光照射在通过玻璃管道的污水中。两种装置虽不同，但原理都一样：使二氧化钛和过氧化氢混合后进入水中。当紫外线光里的高能光子撞击在钛上，便激发出化学反应，使水和过氧化氢电化成充电分子。这无数的充电分子便把污染物分解成极细微的无毒的类似CO2分子。这种处理方法比传统的污水处理法有很大的改进。传统的方法是把有毒的化学物质滤出，留下处理。而利用太阳光来净化则能最终把大量的有机污染物质分解掉，使污水达到可饮用的程度。
可谓无独有偶，同样是利用紫外线对水进行处理，俄罗斯制成新型水清洁器。全俄物理科学院光通信学分院的科学家，研制了一种集过滤器和消毒器功能为一体的新型水清洁器，这种清洁器可以使任何一个水龙头变成泉水之源。新型水清洁器使用短波紫外线对水进行照射处理，它可以在4秒钟之内将水中有机物浓度降低为原来的千分之一，并能清除各类有毒物质。而经过处理后的水仍保持原有的盐分，口感更佳，不必烧开即可饮用，只有洁净优质的泉水才能与之相媲美。新型清洁器的主要部件紫外线灯可连续工作5000个小时，每小时可处理6升～50升水，一个清洁器可使用10年～15年，应用前景十分广阔。
在处理各种工业废水方面，相应的配套高新技术纷纷出现。经过十几年的试验，最近芬兰伊马特拉电力公司终于研制出一种可净化受到放射性污染的液体的新设备，设备的核心部分是一个金属罐状的离子交换，容积为12升，含有不可溶的无机粒子，放射性液体经初步净化后，流经这个离子交换器后，放射性物质便滞留在罐中。净化后的水对人体无害，可直接排入水道。这一净化设备运输和使用均很方便，并在芬兰洛维萨核电站试用，效果良好。
日本电子公司推出了含氟废水处理新技术，利用了胶状氢氧化铝的溶度和氟素的吸附性因酸碱度的不同而变化的性质，使胶状氢氧化铝作为氟素吸附剂并反复利用，从而避免了凝聚沉淀污泥的产生，比含氟废水处理一般采用的凝聚法大为先进，仅日本全国的半导体工厂每年就可因此减少10万吨的污泥产生，大大减少了环境负担和处理成本。
微生物技术，也是一项十分看好的先进技术。如一些酚、氰、塑料等高分子化合物，用物理方法或化学方法达不到净化的要求时，微生物技术便可发挥其巨大的作用了。它是通过下水道密封系统收集污水，经物理或化学方法除去悬浮物后，借助微生物的代谢活动，使有机物分解和杀死病源菌，从而达到净化污水的目的。
其他一些高新技术这里就不再一一介绍了，正所谓道高一尺，魔高一丈，一物降一物。生产力的发展，给人类带来了环境破坏难题。人类一定可以利用掌握的先进科学技术，使环境最终为人类服务，协调、平稳、持续地向前发展。
缺水和水被严重的污染，使人类开始有了忧患意识，在综合治理污染的同时。人类的目光已投向了那浩瀚无际的海洋。就让我们来看看海水利用方面这个全新的领域。
二、海水的利用与淡化技术
在波斯湾的巴林群岛上，很久以前人们就曾用空心竹从海底涌泉中汲取淡水饮用。在希腊东南面的爱琴海中，有一处一昼夜能流出100万立方米淡水的涌泉。人们在涌泉周围用钢筋混凝土筑成大坝，将涌泉与海水分开，用涌泉来灌溉周围数万公顷的旱地。
海水中冒出淡水来，这究竟是怎么回事呢？其实，海底具有极为丰富的淡水资源，它不仅分布在大陆架浅海，也分布在远离海岸120千米与水深100多米的海底部。科学家们设想在没有涌泉的海氏，用钻机像钻石油一样钻水，立起巨大的人工海底淡水“喷泉”，便可使洁净的海底淡水，源源不断地贡献于人类。但是设想终究是设想，人类目前在具体实施方面还有许多障碍难以克服。于是摆在人们面前的、伸手可及的海水提醒人们：为什么不进行海水淡化处理呢？一旦获得重大的突破，缺水问题将不复存在。
科学家们正在进行海水淡化研究与开发，一些国家在兴建海水淡化工厂。海水淡化便可以解决海滨城市淡水紧缺问题。1969年全世界每昼夜淡化海水22万吨，而近年发展为600万吨，目前淡化技术的成本还是较高，一时还难以推广，而且淡化技术主要集中在严重缺水的而经济状况较发达的国家。世界海水淡化的总能力为2.7立方千米／年，不到全球用水的1％。沙特阿拉伯、伊朗等国家海水淡化设备占世界的60％，其中沙特阿拉伯建造了世界上最大的淡化海水管道引水工程。
大海中虽然汹涌着无尽的海水，但由于海水中含有过高的盐分而不能直接使用。海水淡化技术的目标就是从海水中脱盐及其他成分，使之成为淡水。目前这种技法大致分为三类。
其一是利用具有特殊性质的膜从海水中分离出淡水。这类方法包括利用半透膜的反渗透法，电渗析法、气化穿透法。反渗透法在装海水的一侧施以超过其渗透压的压力从而使水与盐分离，电渗析法使海水通过并列配置的阴阳离子交换膜，在电的作用下使盐和水得以分离；气化穿透法则是利用只允许水蒸气通过而液态水不能通过的膜分离并收集海水上面的水蒸气，从而达到水和盐分离的目的。
另一类是利用水的液相和气相间的相变原理进行淡化的方法。如通过加热海水使海水中水分蒸发，而后将水蒸气收集并冷凝下来成为淡水的蒸发法；利用液化天然气的汽化热使水在液相和固相（即水和冰）之间变化，制成淡水的液化天然气冷冻法。