在整個20世紀，城市污水處理中普遍采用的氮處理方法是利用生物過程，如常規活性污泥將其轉化成氮氣（N2）來去除銨。雖然這是一項非常成功的保護人類健康和保護水生生態系統的戰略，但氨轉化為元素形式與21世紀發展循環經濟不相容。且活性污泥法和其他新興的氨氮去除途徑有幾個環境和技術限制。
為了使氨氮回收技術便于應用于生活污水，開發的吸附劑不僅需要高選擇性和優良的氨氮吸附性能，而且還需要：（i）適合CSTR型反應器的連續模式中運行，以便在現有的污水處理廠基礎設施中重新安裝；（ii）易于與廢水分離；（iii）抗生物污染；（iv）易于針對不同的表面化學進行改性；（v）在不需要大量化學物質的情況下，在銨的釋放和吸附劑的再生方面高效且具有成本效益。
考慮到上述所要求的特性，聚合物基材料具有特殊的意義。根據官能團，聚合物吸附劑可分為非離子型、陽離子型或陰離子型；非離子交聯聚合物（如聚環氧乙烷）可作為凝膠排阻媒介。另一方面，離子交聯聚合物可用于選擇性結合有相反電荷的分子（即陽離子結合在陰離子聚合物上）無需離子置換（如沸石和離子交換樹脂），從而促進目標離子的結合。
聚合物吸附劑正在向高選擇性和高吸附容量方向發展，希望具有較好的防污能力，進行可連續進行的主流操作，以及聚合物吸附劑無需大量化學物質的再生能力。
N2O是各種廢水生物脫氮過程中產生的副產物，也是一種極強的溫室氣體，造成了嚴重的環境風險。事實上，城市污水中N2O的可回收能量與一般的廠內能耗（0.26~0.67 kWh/m³）相比幾乎微不足道。近年來，人們越來越感興趣的是從廢水中回收N2O作為一種強大的燃料氧化劑。在這種情況下開發了好氧-缺氧-氮分解操作（CANDO）工藝，從厭氧消化液中回收N2O。基本上，CANDO過程包括三個操作步驟：（i）NH4+部分硝化為NO2-；（ii）NO2-部分反硝化為N2O，以及（iii）N2O與CH4共燃以回收能量。除了已經確立的步驟3之外，實際上步驟1和2在大規模上仍然具有高度的挑戰性。因此，與傳統的生物脫氮工藝相比，CANDO工藝中生物脫氮的整體性能可能會受到影響。
與現有污水處理廠的常規反硝化相比，CANDO工藝中亞硝酸鹽異養反硝化為N2O所需的廢水COD中的有機碳可減少60%。節約的廢水COD可進一步用于生產沼氣進行能源回收，抵消污水處理廠部分能耗。總的來說，似乎有必要以更全面的方式仔細評估CANDO工藝的工程可行性和經濟可行性。
在當前的技術階段，N2O生產的操作在過程復雜性和穩定性方面仍然具有挑戰性。城市污水和厭氧消化液產生的N2O的可回收能量與總能耗相比顯得微不足道。由于N2O的溶解度高，需要對N2O進行捕集和進一步純化，但工藝結構復雜，操作成本高。大量殘留溶解性N2O的排放對溫室效應產生了強烈的影響，對目前N2O生產和能源回收過程的長期環境可持續性提出了挑戰。
另一方面，廢水厭氧處理過程中產生的沼氣可作為能源。然而，大量的CH4由于溶解在廢水中不能被回收，UASB等厭氧廢水處理工藝因液體上流速度低和混合不足而受到限制。AnMBR已經成功作為處理城市污水的補充設施，其COD去除率高，出水能達到大部分回用的目的。有人建議使用微藻從AnMBR廢水中去除營養物。此外，在歐盟LIFE項目MEMORY（life memory.eu）的背景下，介紹了浸沒式AnMBR（AD和膜技術的結合）。這種創新的試點實施為城市污水處理和資源回收提供了有前景的技術。
而在污泥資源回收方面，城市污水中含有大量纖維素（占懸浮固體總量的30%~50%），纖維素作為一種可通過篩選從廢水中回收的資源具有巨大的潛力。纖維素脫水污泥的好處是：化學藥劑消耗減少，曝氣電耗較低，磷酸鹽釋放較少，污泥排放量大幅度減少，污泥處理和管理成本也隨之降低。纖維素回收將為污水處理廠的下游生物工藝增加效益，并用于污水處理廠下游與PHA混合，以及最終生物復合物生產的加工。