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沙田污水处理厂（英语：Shatin Sewage Treatment Works，缩写：STSTW）位于香港新界沙田区马料水水厂街1号，邻近沙田马场，是一所传统工艺污水处理厂，始建于1982年，面积约相等于30座足球场，采用二级（生物）处理程序处理由沙田、马鞍山及大埔白石角地区排放的污水。第一期及第二期已完成，而第三期扩建工程亦于2010年年中完成，每日可处理23万立方米污水和120公吨污泥。沙田污水处理厂是香港目前最大规模的二级污水处理厂，服务沙田及马鞍山约60万居民。
为舒缓香港用地压力，并将改善原处理厂设备老化及对环境造成的污染问题，污水处理厂将重置于一河之隔的亚公角山体内（以岩洞方式建造），而面积将比赤柱污水处理厂大15倍，新处理厂预计于2029年投入运作，旧厂拆除工作则预计于2031年完成。
沙田污水处理计划于1973年开始研究以配合新界东第一个卫星城市沙田的发展。1975年在现时赛马会体艺中学的位置建造临时污水处理厂，采用多间隔式组合处理池及表面曝气机操作，待永久污水处理厂启用后才告拆卸。
另外，香港中文大学亦在1968年建造了私家污水处理处，专门处理大学建筑物排出的污水（除范克廉楼使用化粪池至今外），直到1982年才并入沙田污水处理厂排污网络。
沙田污水处理厂第一期的入水口、基本及初级处理设施于1982年投入服务，整个第一期污水处理设施包括二级处理在1984年落成后全面操作。第二期于1986年相继完成，两期设施可为沙田及马鞍山区居民处理每天约20多万立方米的污水。
随著沙田及马鞍山急速发展，第三期扩展于2001年2月开始兴建，第一及第二阶段设施于2004年底及2005年底先后落成启用，馀下工程在2010年全部完成，可以处理84万人每天生产约34万立方米的污水。
发展局局长林郑月娥于2010年考察北欧城市有关岩洞的发展后，聘请顾问作出开拓山洞成本及释出土地价值等相关财务评估，于2011年2月24日透露将沙田污水处理厂搬迁到对面亚公角岩洞内（女婆山）的可行性极高，从而释出约28公顷高价值、优质的临海土地作为房屋及其他用途[1]。
2013年3月，研究顾问及独立专家评审团经复检后，确定与沙田污水处理厂相隔城门河的亚公角女婆山为最佳重置选址，该处属于坚固的花岗岩地质，无明显的软弱带及断层，非常适合建设大型岩洞，而且于上址进行搬迁工程不需要征用大量私人土地。顾问报告正在评估搬入岩洞后的沙田污水处理厂的气味影响；通过实验室风洞测试，就亚公角女婆山一带的环境、风速和风向分析，初步评估显示，透过适当的气味控制措施及山上远离居民的通风口，重置后的沙田污水处理厂不会产生不良气味滋扰附近社区；研究顾问将会进一步计划最合适的气味控制措施及通风口位置的方案。有关部门最快将会于同月月底在上址进行土地勘测工程，于同年年中展开第二阶段公众参与活动。
初步资料显示，如果采用钻爆方法建造项目的主体部分的岩洞，由于邻近楼宇与有关岩洞位置有相当距离，以现今先进技术及监控措施，能够有效果地防止工程对邻近楼宇结构造成不良影响[2]。2018年10月立法会财务委员会通过20.7亿元拨款展开工程，首阶段工程于2019年开展，2031年完成，建成后将成为亚洲最大型人工岩洞污水处理厂，并设立全港首个“经处理污水冷却系统”，透过“已处理的污水”为厂房内的机器降温，而腾出原址28公顷土地可用作发展用途，拟议作住宅、高科技和知识型产业用途[3][4][5]。迁入岩洞后的通风竖井设于女婆山西南，即亚公角山路末端，与最接近的较大型居民区富安花园保持约1公里距离以避免气味问题影响。不过由于建筑成本增加，工程费用超过300亿元（2017年估算），较2014年估算的250亿元多50亿元[5]。
工程的首阶段-连接隧道及通风井工程已于2019年2月动工，由中国建筑承建。
沙田污水处理厂集水区面积达69平方公里，沙田及马鞍山，以及大埔区白石角共有18个污水泵房，将收集到的污水送到沙田污水处理厂，外围泵房以沙田主污水泵房及马鞍山污水泵房为主，合占总输水量的97%，各泵房的输水比例如下.
沙田污水处理厂有8台细隔栅，可筛除污水中直径6毫米或以上的大尺寸渣滓。
用以收集筛除出来的废物。
经隔筛的污水会流入曝气沉砂池（Aerated Grit Channel），沉淀后的砂砾会被抽到分砂机（Grit Classifier），污水再流往流量槽。
沙田污水处理厂有8条特别设计的流量槽（Flume Channel），利用超声波水位感应器准确计算入水流量，作为污水处理厂重要的运行指标。
污水继而进入初级沉淀池，大约50%悬浮固体废物会在此沉淀成为初级污泥（Primary Sludge）。沙田污水处理厂共有21个初级沉淀池，每个池的体积为55x13x3米。水力停留时间约2小时，较重的悬浮物会积聚在池底，较轻的则浮在水面，池内装设自动链刮系统（Automatic Chain and Flight Scraper），将沉底及浮面的污染物收集后作进一步处理。
二级（生物）处理（Secondary (Biological) Treatment）是利用微生物分解污水中的污染物。沙田污水处理厂采用A/O活性污泥法，即使活性污泥悬浮于污水中，同时曝气，让活性污泥与污水中污染物与溶解氧充分接触，污泥中微生物利用污水中污染物作为营养生长繁殖，污染物得以降解。
沙田污水处理厂共有22个曝气池，单体尺寸为88x13x5米，有效容积5,720立方米，分为前端的缺氧区（不用曝气，占28%全池面积）和之后的曝气区（占72%全池面积）两部份，缺氧区设有搅拌机（Mixer），而曝气区设有约2000个空气扩散器（Air Diffuser，每天耗气量约40,000-100,000立方米）、回流泵及管道，有机污染物最终分解为二氧化碳、水及氮气等。
经初级沉淀的污水流入曝气池作生物处理，压缩空气经管道及扩散器输送到曝气区，为微生物提供生长所需的氧气。污水中的有机物在好氧环境下被好氧微生物氧化分解，同时硝化细菌进行硝化作用，将铵盐氧化为硝酸盐。富含硝酸盐的污水被回流到曝气池前端的缺氧区（Anoxic Zone），进行反硝化作用，将硝酸盐和亚硝酸盐被还原为无害的氮气，释放于空气中，污水中含氮污染物得以降解。
混合液自曝气池出水，经配置有流量控制水闸（Flow Control Penstock）的分水槽进入最后沉淀池。
沙田污水处理厂共有24个幅流式最后沉淀池（直径27.5米）及20个平流式最后沉淀池（42x12x5米），利用物理沉淀或浮除原理，将污水中大部份活性污泥和悬浮物质清除，上层澄清的放流水经收集槽输往池侧的砖红色泵房作排放。沉淀池底的活性污泥会经由地下管道输往回流活性污泥泵房的水井，大部份会回流至曝气池曝气段，馀下的称为剩余污泥（Surplus Activated Sludge），经浓缩后再送往消化缸处理。
经过二级处理的污水可清除污水中达99%的病菌，为要进一步减低病菌的风险，处理后的污水需再经消毒然后才排放到附近水体。沙田污水处理厂使用紫外光照射消毒技术，合乎经济效益而又符合环境标准。整项紫外光消毒工程将于2008年初展开，于2009年完成。
在最后沉淀池底部的活性污泥由4台离心泵（Screw-Centrifugal Pump）回流到曝气池曝气段入口，以确保池内有足够活性污泥量和微生物量，维持污水处理厂的正常运行。每台泵由一个68千瓦马达带动，最高流量每秒0.517立方米，回流比为100%。
剩馀活性污泥由污泥泵送到6台离心机〈Centrifuge〉加以浓缩，再输送往厌氧污泥消化缸。
沙田污水处理厂共有14座厌氧污泥消化缸（Anaerobic Sludge Digestion Tank），第一及第二期8个是气提式（Gas Mixing Type）消化缸，每个缸容量2960立方米，利用压缩沼气搅拌污泥，其馀6个位于第三期是机械搅拌式（Mechanical Mixing Type）消化缸，每个缸容量3720立方米，利用内置机械循环搅拌泵搅拌污泥。
初级污泥及浓缩后的剩余活性污泥在污泥消化缸内进行厌氧消化过程，消化缸内保持在摄氏35度左右，利用有机生物在厌氧的环境下发酵分解污泥中有机物质达到稳定状态。
在厌氧消化过程中会产生沼气，内含甲烷，可作燃料推动发电机。沙田污水处理厂配备双燃料发电机（Dual Fuel Generator），以沼气或柴油发动，可输出1100千瓦电力。
消化后的污泥先以离心式脱水机（Dewatering Centrifuge）脱水，然后运往屯门污泥焚化炉处理。
沙田中央化验室（Shatin Central Laboratory）于2004年5月搬迁到沙田污水处理厂化验室大楼[6]，由1名化验师、5名一级技术员、14名二级技术员及1名服务员协同运作，每月负责测试约3,000个污水及20,000个污泥样本，主要测试包括生化需氧量、化学需氧量、总悬浮固体、总固体（Total Solids）、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮（Nitrite Nitrogen）、总克氏氮量（Total Kjeldahl Nitrogen）、正磷酸盐（ortho-Phosphate）、总磷量（Total Phosphorus）、氯化物、硫化物、重金属、微生物显微镜观察、毒性、大肠杆菌及紫外光透光率等。数据结果用于确定放流水能符合香港环保署排放标准及为污水处理厂工作人员用以控制处理程序。
传统的污水处理包括了两轮沉淀程序，在初级沉淀池和最后沉淀池之间的生物处理池，加入可以侵蚀微细污染物的微生物，处理初级沉淀时未能够分解的污染物，而微生物则会留在沉淀的剩馀活性污泥中，可以回流到最终沉淀池池内再用，其馀污泥则浓缩处理，经过脱水后运输至屯门T·PARK 源·区污泥焚化炉。
2012年，渠务署成功研发“混合沉淀”技术，新技术将微生物直接回流到初级沉淀池，提早分解污染物，改进污泥质素，以减少后期处理的程序及时间。应用此技术所需要的设备的成本约12万港元，每年运作费用约8万港元，使用新技术比较以往每年节省560万千瓦时能源，减少碳排放3,000公吨、减少排固体废物700吨，节省约430万港元电力费用。同年，渠务署为沙田污水处理厂引入上述技术。此技术获得了由香港环保卓越计画颁发的2012年“环保创意卓越奖”优异奖及由香港工程师学会颁发的“工程创意大奖2012/13”科技组别冠军[7]。
香港科技大学发明杀泥技术污水处理方法，将硫酸盐还原菌应用于污水处理，能够减少逾9成的污泥量，节省逾半污水处理费用、净化时间及储存污泥空间。硫酸盐还原菌的好处是生长速度慢、然而效率高，能够减少污泥量及缓和臭味。以香港的污水量计算，传统技术每日产生约2,000公吨污泥，杀泥技术则可以大幅度地减少至200公吨以下。
于2013年4月起至2015年4月，沙田污水处理厂进行该项技术的大型试验，每日平均处理1,000立方米污水。项目获得渠务署和创新及科技基金等资助共约2,460万港元，为香港资助金额最高的独立环境保护科技研究项目[8]。
大埔污水处理厂经生物处理过的放流水，经海底压力管道输送到沙田污水处理厂，联同沙田污水处理厂的放流水，由放流水排放泵房（Effluent Export Pumping Station，位于污水处理厂近侧门入口位置砖红色建筑物）经过横越城门河两条单车及行人桥（俗称孖桥）下层的压力管道，再穿越一条直径3米、长达7.4公里的输水隧道（由邻近污水处理厂新址的亚公角隧道入口至凤德邨终端出水口）及凤德道箱形雨水暗渠，排向启德明渠，再排放入维多利亚港。此项排放工程原拟取道大老山隧道作排放管道[9]，后改为兴建专用管道，并于1987年由土木工程署立项，1989-90年动工[10]，1994年完工；其中，由亚公角隧道入口至花心坑一段排水隧道以隧道钻挖机兴建，其馀部分（包括花心坑村施工竖井）以钻爆方式建造。
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