thumb|Rwzi-oxidatiesloten Antwerpen-Zuid thumb|RWZI - Katwijk (Z-H) thumb|Video over de werking van de rioolwaterzuivering bij Rotterdam
Een rioolwaterzuiveringsinstallatie (afgekort rwzi) zuivert stedelijk afvalwater, waaronder het afvalwater van huishoudens, bedrijven en veelal ook het hemelwater van verhardingen dat via het riool wordt afgevoerd. Juridisch wordt het een inrichting genoemd en bestaat het uit zuiveringstechnische installaties.
In een rwzi wordt het stedelijk afvalwater uit riolen gezuiverd voordat het in het oppervlaktewater komt. Het inkomende vuile water, het influent, wordt in een aantal stappen gezuiverd. Het gezuiverde water wordt het effluent genoemd. Achtereenvolgens verwijdert men met een rooster of een afscheider de grovere deeltjes, vervolgens wordt het zand verwijderd. Deze beide stappen zijn nodig om in feite de daadwerkelijke zuivering te beschermen. Daarna wordt vaak in bezinktanks de fijnere bezinkbare stoffen verwijderd, en ten slotte de opgeloste stoffen door aerobe biologische zuivering. Behalve water komen andere stoffen vrij, met name slib, dat soms een nieuwe bestemming krijgt. De zuivering van afvalwater is ingekaderd in nationale en internationale regelgeving.
Heel Nederland telt 352 rioolwaterzuiveringen (RWZI's), beheerd door 21 waterschappen.
Geschiedenis van afvalwaterzuivering thumb|Een bouwtekening van een rioolwaterzuivering in de Duitse stad Dresden uit 1921. Zuivering van afvalwater is historisch gezien een vrij recente ontwikkeling die direct gekoppeld kan worden aan de industriële revolutie. Hoewel er al afvalwater op gereguleerde wijze werd afgevoerd door het aanleggen van de allereerste riolen in Mesopotamië tussen 3500 v.Chr. en 2500 v.Chr., was er van zuivering nog geen sprake. Wel wordt afvalwater al sinds de Romeinse tijd gebruikt als bron van meststoffen, waarmee deze meststoffen aan het water onttrokken werden. Voor zover bekend vond chemische behandeling van afvalwater plaats sinds 1740. Door toevoeging van kalkmelk produceerde men een met guano verwante meststof en werd tegelijk de bezinking van zwevend materiaal bevorderd. Nadien werden chemische afvalwaterbehandelingsmethoden meer en meer toegepast.
Na de industriële revolutie en de hiermee gepaard gaande verstedelijking werd het afvalwaterprobleem groter. Men maakte zich in toenemende mate zorgen over de verspreiding van besmettelijke ziekten. Daarom startte men omstreeks 1840 een onderzoek naar de overdracht van onder meer cholera en buiktyfus. John Snow ontdekte dat de cholera-epidemie van 1854 in Londen werd veroorzaakt door besmet water uit de waterpomp op Broad Street en toonde aan dat het behandelen van afvalwater en menselijke ontlasting noodzakelijk is voor de volksgezondheid. Drink- en afvalwater werden in Londen gescheiden en het afvalwater werd gezuiverd. De daaropvolgende sanitaire revolutie in de westerse wereld zorgde ervoor dat er in de steden voor het eerst geen sterfteoverschot meer was. Ter vergelijking waren diarree, longontsteking en mazelen met respectievelijk 67,1%, 14,8% en 4,2% in 2007 in Bangladesh de meest voorkomende ziekten door onvoldoende behandeling van sanitair afval. Onderzoek van het Water and Sanitation Program van de Wereldbank schat de baten van de behandeling van urine en uitwerpselen die anders voor watervervuiling zorgen, drie tot acht maal hoger in dan de kosten. Bovendien geldt dat hoe meer afvalwater afgevoerd wordt via rioleringssystemen, hoe hoger de baten zijn voor verstedelijkte gebieden.
Op sommige plaatsen waar men landbouwgronden met afvalwater bemestte, maakte men gebruik van meren, sloten en kuilen als voorbehandeling. De zwaardere deeltjes in het afvalwater bezonken hierin, waardoor de vuilvracht werd verlaagd. Deze techniek werd vermoedelijk voor het eerst in 1829 toegepast in Edinburgh. In 1895 werd de septische tank uitgevonden door Donald Cameron en F.J. Cummins. Omdat er steeds minder landbouwareaal beschikbaar was en er dus minder te bemesten akkergrond was, ontstond het idee dat waterzuivering efficiënter kon verlopen als gebruikgemaakt werd van organismen. Diverse onderzoekers bestudeerden aan het eind van de 19e eeuw "biologische" filters op basis van klei, zand of grind. Sir Edward Frankland ontdekte in 1870 dat de omzetting in stikstofzouten toenam als het door een gravelfilter gevloeid was. In het Lawrence Experimental Station in Massachusetts (VS) werd de techniek verder verfijnd en zo ontstonden omstreeks 1890 de zogenaamde biofilters. Enige jaren later ontwikkelde Joseph Corbett in het Verenigd Koninkrijk de eerste oxidatiebedden die continu bevloeid werden met afvalwater.
De allereerste experimenten met het beluchten van afvalwater werden uitgevoerd in 1880. R. Angus Smith onderzocht vooral het effect van beluchting op geurproblemen. In 1912 werd op het al genoemde Lawrence Experimental Station het onderzoek naar de beluchting van afvalwater voortgezet, dit keer gericht op de aangroei van uit algen bestaande biofilms. Het belang van het behoud van dergelijke biofilms bleek in 1913. De onderzoekers mengden het afgezonderde bezonken materiaal met vers afvalwater en kregen volledige nitrificatie in 24 uur in plaats van in enkele weken. Daarmee was de basis van het actief-slibproces gelegd. Hoewel het snelle initiële succes van oxidatiebedden voor de afvalwaterzuivering van grote steden de ontwikkeling van het actiefslibmodel afremde, waren er in 1923 reeds tachtig experimentele zuiveringsstations en zeventien stedelijke zuiveringsstations met het actief-slibsysteem operationeel of in aanbouw. Het actief-slibproces werd superieur ten opzichte van alle andere bestaande technieken. Het is daardoor nog steeds de meest gebruikte techniek voor afvalwaterzuivering.
In de beginperiode van het actief-slibproces werd de methode toegepast voor de verlaging van het biologisch zuurstofverbruik en zwevende stoffen. De eerste effluentnormen voor ammonium werden opgelegd in de jaren vijftig. De eerste normen op de concentraties van nitraat en nitriet volgden in de jaren zeventig. De eisen werden in de volgende decennia onder invloed van het toenemend milieubewustzijn stelselmatig strenger.
Sinds de jaren zestig zijn zuiveringssystemen die gebaseerd zijn op membranen in opkomst. Ultrafiltratie is een zuiveringsmethode voor het verkrijgen van zeer zuiver water. Deze dure techniek vindt men niet standaard terug in een rioolwaterzuivering, maar is een vorm van quaternaire zuivering. Ultrafiltratie wordt in de waterzuivering vooral toegepast voor de bereiding van drinkwater. Membraanbioreactoren combineren het gebruik van membraanfiltratie met een biologische zuivering.
Tot het midden van de twintigste eeuw, waren vooral lokale zaken de aanleiding voor waterzuivering, waaronder epidemieën, lokale afwezigheid van zuurstof in het water, lokale watervervuiling en wateropwarming. Eutrofiëring, giftige stoffen en stikstofverwijdering kwamen pas in de jaren 1970 onder de aandacht. Onder meer door globalisering en bevolkingsaangroei is de wereld sterk geëvolueerd, zo ook de afvalwaterbehandeling. De impact van een lozing op een andere locatie stroomafwaarts kon niet meer genegeerd worden, wat aanleiding gaf tot meer geïntegreerde waterbeheersing en zorgde voor wetgeving rond waterkwaliteit. Zo was tot de jaren 80 de waterzuivering in Engeland en Wales onder beheer van de lokale overheid, maar sinds de jaren 90 in handen van grotere regionale privébedrijven. De laatste twee decennia wordt waterzuivering in een nog bredere context gezien: door de opnieuw toegenomen waterkwaliteit wordt zuivering meer en meer in een context van incidentele verontreiniging (overstorten, etc.), rivierbeheer en klimaatverandering aangepakt.
Uitvoeringen van rioolwaterzuivering thumb|Oxidatiebed Het actief-slibproces is de meest toegepaste methode voor biologische waterzuivering. Hier zuiveren micro-organismen het water. Een voordeel van deze methode is dat het proces niet afhankelijk is van een bepaald type tank of beluchtingssysteem. Bovendien zijn goede verwijderingspercentages haalbaar tegen aanvaardbare kosten.
De omstandigheden van het zuiveringsproces kunnen zodanig worden aangepast dat dezelfde micro-organismen ook in grote, hechte, snel bezinkbare vlokken of korrels voorkomen: korrelslib. Bij korrelslib maakt men meestal gebruik van sequencing batch reactors (afgekort tot SBR).
Bij membraanbioreactoren (mbr) wordt het afvalwater, zonder het het biologisch slib, door een membraan geperst. Dit systeem produceert een heel zuiver effluent. Het water is gedesinfecteerd en is direct bruikbaar als proceswater in de industrie of als basis voor de bereiding van drinkwater. Het is ook een goed alternatief voor een actief-slibinstallatie indien niet genoeg ruimte beschikbaar is voor de bouw van verschillende beluchtingstanks en nabezinktanks.
Oxidatiebedden vormen een verouderde technologie aangezien hiermee alleen organische stoffen uit het afvalwater verwijderd worden. Ook hier worden micro-organismen gebruikt waarvan het door hen gevormde biofilm vastgehecht is op een inert materiaal zoals lavastenen.
Kleinschalige rioolwaterzuiveringsstations of kwzi's zuiveren het afvalwater van minder dan tweeduizend personen. Kwzi's vormen meestal een verkleinde uitvoering van een klassieke rioolwaterzuiveringsinstallatie waarbij beluchtingstank en nabezinktank in eenzelfde constructie voorkomen. Daarnaast zijn er andere types, zoals biorotoren en rietvelden (de zogenaamde helofytenfilters).
Individuele waterbehandelingssystemen of iba's verwerken het afvalwater van een gezin. Een septische put is een voorbeeld van een iba.
Waterzuiveringsprocessen thumb|Verschillende stadia van afvalwaterzuivering: van links naar rechts: voorbezonken afvalwater, actief-slib mengsel in de biologische zuivering, water na de standaard biologische zuivering, drinkwater Het zuiveringsproces wordt opgedeeld in enkele processtappen:
Primaire zuivering, gericht op verwijdering van deeltjes op basis van hun grootte en soortelijke massa Secundaire zuivering (biologische zuivering), gericht op verwijdering van organische stoffen Tertiaire zuivering (biologische zuivering), gericht op verwijdering van nutriënten Quaternaire zuivering (nazuivering), gericht op verwijdering van specifieke stoffen
Primaire zuivering Gedurende de primaire zuivering wordt met enkele technieken het afvalwater gezuiverd van (vaste) stoffen op basis van hun fysische eigenschappen. Het gaat bijvoorbeeld om blikjes, plastic, bladeren, vet en zand. Het proces begint er meestal mee dat het influent via een influentgemaal wordt opgepompt naar het hoogste punt in de installatie, waarna het door de werking van de zwaartekracht langs een aantal tanks wordt geleid. Eerst worden de grove deeltjes met roosters verwijderd, waarna met een voorbezinktank kleinere deeltjes verwijderd worden. Soms zijn er speciale voorzieningen om vetten of grote hoeveelheden zand, leem of klei af te vangen.
Roostergoedverwijdering thumb|Verwijdering van grof materiaal met behulp van een stappenrooster Het aangevoerde rioolwater bevat helaas vaak componenten die niet in een riool thuishoren. Dit 'grof vuil' als papier, blikjes, plastic, maandverband en tampons kan leidingen verstoppen en toestellen op het waterzuiveringsstation beschadigen. Dit vuil wordt verwijderd met roosters en heet daarom wel roostergoed. Er zijn enkele typen roosters in gebruik. Stappenroosters bestaan uit een rij metalen platen die afwisselend vast opgesteld en beweegbaar zijn en het grof vuil in stappen omhoog brengen naar een transportband. Grofharkroosters en fijnharkroosters vangen het vuil op op een vast frame, waarna het vuil eraf geharkt wordt. Stappenroosters en harkroosters verwijderen zo in principe al het vuil dat groter is dan enkele millimeters, waarna het afgevoerd wordt naar een afvalverbrandingsinstallatie.
Olie- en vetvang thumb|Schema van een olievanger met lamellenseparator