在整个20世纪，城市污水处理中普遍采用的氮处理方法是利用生物过程，如常规活性污泥将其转化成氮气（N2）来去除铵。虽然这是一项非常成功的保护人类健康和保护水生生态系统的战略，但氨转化为元素形式与21世纪发展循环经济不相容。且活性污泥法和其他新兴的氨氮去除途径有几个环境和技术限制。
为了使氨氮回收技术便于应用于生活污水，开发的吸附剂不仅需要高选择性和优良的氨氮吸附性能，而且还需要：（i）适合CSTR型反应器的连续模式中运行，以便在现有的污水处理厂基础设施中重新安装；（ii）易于与废水分离；（iii）抗生物污染；（iv）易于针对不同的表面化学进行改性；（v）在不需要大量化学物质的情况下，在铵的释放和吸附剂的再生方面高效且具有成本效益。
考虑到上述所要求的特性，聚合物基材料具有特殊的意义。根据官能团，聚合物吸附剂可分为非离子型、阳离子型或阴离子型；非离子交联聚合物（如聚环氧乙烷）可作为凝胶排阻媒介。另一方面，离子交联聚合物可用于选择性结合有相反电荷的分子（即阳离子结合在阴离子聚合物上）无需离子置换（如沸石和离子交换树脂），从而促进目标离子的结合。
聚合物吸附剂正在向高选择性和高吸附容量方向发展，希望具有较好的防污能力，进行可连续进行的主流操作，以及聚合物吸附剂无需大量化学物质的再生能力。
N2O是各种废水生物脱氮过程中产生的副产物，也是一种极强的温室气体，造成了严重的环境风险。事实上，城市污水中N2O的可回收能量与一般的厂内能耗（0.26~0.67 kWh/m³）相比几乎微不足道。近年来，人们越来越感兴趣的是从废水中回收N2O作为一种强大的燃料氧化剂。在这种情况下开发了好氧-缺氧-氮分解操作（CANDO）工艺，从厌氧消化液中回收N2O。基本上，CANDO过程包括三个操作步骤：（i）NH4+部分硝化为NO2-；（ii）NO2-部分反硝化为N2O，以及（iii）N2O与CH4共燃以回收能量。除了已经确立的步骤3之外，实际上步骤1和2在大规模上仍然具有高度的挑战性。因此，与传统的生物脱氮工艺相比，CANDO工艺中生物脱氮的整体性能可能会受到影响。
与现有污水处理厂的常规反硝化相比，CANDO工艺中亚硝酸盐异养反硝化为N2O所需的废水COD中的有机碳可减少60%。节约的废水COD可进一步用于生产沼气进行能源回收，抵消污水处理厂部分能耗。总的来说，似乎有必要以更全面的方式仔细评估CANDO工艺的工程可行性和经济可行性。
在当前的技术阶段，N2O生产的操作在过程复杂性和稳定性方面仍然具有挑战性。城市污水和厌氧消化液产生的N2O的可回收能量与总能耗相比显得微不足道。由于N2O的溶解度高，需要对N2O进行捕集和进一步纯化，但工艺结构复杂，操作成本高。大量残留溶解性N2O的排放对温室效应产生了强烈的影响，对目前N2O生产和能源回收过程的长期环境可持续性提出了挑战。
另一方面，废水厌氧处理过程中产生的沼气可作为能源。然而，大量的CH4由于溶解在废水中不能被回收，UASB等厌氧废水处理工艺因液体上流速度低和混合不足而受到限制。AnMBR已经成功作为处理城市污水的补充设施，其COD去除率高，出水能达到大部分回用的目的。有人建议使用微藻从AnMBR废水中去除营养物。此外，在欧盟LIFE项目MEMORY（life memory.eu）的背景下，介绍了浸没式AnMBR（AD和膜技术的结合）。这种创新的试点实施为城市污水处理和资源回收提供了有前景的技术。
而在污泥资源回收方面，城市污水中含有大量纤维素（占悬浮固体总量的30%~50%），纤维素作为一种可通过筛选从废水中回收的资源具有巨大的潜力。纤维素脱水污泥的好处是：化学药剂消耗减少，曝气电耗较低，磷酸盐释放较少，污泥排放量大幅度减少，污泥处理和管理成本也随之降低。纤维素回收将为污水处理厂的下游生物工艺增加效益，并用于污水处理厂下游与PHA混合，以及最终生物复合物生产的加工。