Das Einlaufpumpwerk besteht aus neun Schnecken, die je 1,8 bis 3,1 Kubikmeter pro Sekunde fördern; die Gesamtförderleistung beträgt 20,4 Kubikmeter pro Sekunde.
Das GKW Köln-Stammheim wird mit dem Abwasser aus folgenden drei Zulaufsammlern beschickt: dem rechtsrheinischen Tiefsammler (einschließlich Flittarder Sammler), dem rechtsrheinischen Hochsammler sowie dem linksrheinischen Tiefsammler.

Das Abwasser wird um 3,40 Meter auf das Niveau der Anlage gehoben, sodass es im freien Gefälle bis zum Zwischenpumpwerk an der Schwachlastbelebung fließt. Zusätzlich wird der Rücklaufschlamm der Höchstlastbelebung über das Einlaufpumpwerk wieder dem Abwasser zugegeben.

Insgesamt wird im Großklärwerk Köln-Stammheim aus dem Kanalnetz eine maximale Abwassermenge von 8,2 Kubikmetern pro Sekunde angenommen.

Rechenanlage
Grobe und sperrige Stoffe, Plastikteile sowie Essensreste führen bei der Abwasserreinigung zu Verstopfungen der Rohrleitungen und Pumpen. In der Rechenanlage werden diese Stoffe aus dem Abwasserstrom abgetrennt. Hinter dem Einlaufpumpwerk teilt sich das Abwasser auf die vier Straßen der mechanischen Reinigungsstufe auf. Das Abwasser durchfließt den in dem jeweiligen Zulaufgerinne befindlichen Feinrechen.

Die Abwassersiebung erfolgt bei den Rechen (Typ Harkenumlaufrechen) durch einen Stabrost (8 Millimeter). Das abgesiebte Rechengut kann über drei Austragswegen behandelt werden: Rechengutzerkleinerung, Presscontainer oder über den Notaustrag.

Sandfanganlage
Im Anschluss an die Rechenanlage passiert das Abwasser den ebenfalls vierstraßig ausgebildeten Sandfang. Durch den trapezförmigen Querschnitt des Sandfanggerinnes verringert sich bei unterschiedlichen Zulaufmengen die Fließgeschwindigkeit, damit die groben mineralischen Bestandteile zu Boden sinken. Durch seitliches Einblasen der Luft wird eine Schraubenströmung erzeugt, der zu Boden sinkende Sand wird so in die Sammelrinne gespült. Vier Sandfangräumer fördern den anfallenden Sand in die Sümpfe im Zulaufbereich. Dort installierte Mammutpumpen befördern das Sand-Wasser-Luft-Gemisch in eine gemeinsame Rohrleitung zu zwei Sandklassierern. Der Sand wird anschließend direkt in einen Container ausgetragen.

Hochlastbelebungsbecken
Die Hochlastbelebung ist die erste biologische Reinigungsstufe: In den Belebungsbecken findet ein kontinuierlicher biochemischer Vorgang statt. Gelöste und mehr oder weniger feindispergierte organische Stoffe werden durch die Mikroorganismen abgebaut bzw. in Biomasse umgewandelt (diese wird im weiteren Verlauf in der Zwischen- bzw. in der Nachklärung abgetrennt und auf diese Weise dem Abwasser entzogen).

In der Hochlastbelebung erfolgen der Abbau der Kohlenstoffverbindungen und eine Adsorption (Anlagerung an die Belebtschlammflocken) der organischen Stoffe. Der sich bildende Schlamm dieser ersten Stufe, der sogenannten A-Stufe, wird in der Zwischenklärung abgetrennt und über ein Rücklaufschlammpumpwerk zur Hochlastbelebung zurückgeführt. Damit wird eine ständig ausreichende Menge an aktiver Biomasse im Belebungsbecken gewährleistet.

Die überschüssig gebildete Biomasse wird als Überschussschlamm aus dem Rücklaufschlamm entnommen und der Schlammbehandlung zugeführt. Der Lufteintrag zur Sauerstoffversorgung und die notwendige Umwälzung des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches erfolgen durch sogenannte Hyperboloid-Rührwerke mit unterhalb angeordneten Begasungsringen; für den Lufteintrag stehen Turboverdichter zur Verfügung.

Zwischenklärbecken
Das Belebtschlamm-Abwasser-Gemisch wird in einem Kanal zusammengeführt und über zwei Verteilerbauwerke auf zwölf Zwischenklärbecken verteilt. Der biologisch aktive Schlamm wird in der Zwischenklärung vom vorgereinigten Abwasser getrennt, eingedickt und kontinuierlich in die Hochlastbelebungsbecken zurückgeführt. Überschüssiger Schlamm wird abgezogen und zur Schlammbehandlung geführt.

Eine weitere wichtige Aufgabe der Zwischenklärung ist die Speicherung von Schlamm, wenn dieser durch einen erhöhten Zufluss bei Regenwetter aus den Hochlastbelebungsbecken verdrängt wird. Ein kontinuierlich laufender Balken-Räumer fördert den Schlamm in die zwei Schlammsammeltrichter, die in jedem Becken im Einlaufbereich angeordnet sind. Über Steigrohre wird der voreingedickte Belebtschlamm kontinuierlich in einen weiteren Schlammschacht abgezogen.

Rücklaufschlamm-Rechenanlage
Der Rücklaufschlamm enthält neben dem Belebtschlamm der Hochlastbelebungsstufe auch noch nennenswerte Anteile Rechengut, das die Rechenanlage hinter dem Einlaufpumpwerk passiert hat. Mit dem Rücklaufschlamm-Rechen sollen diese aus dem Rücklaufschlamm entfernt werden.

Überschussschlammpumpwerk 1
Der Überschussschlamm aus der Hochstlastbelebung wird kontinuierlich abgezogen und den Voreindickern zugeführt. Dafür stehen vier Exzenterschneckenpumpen zur Verfügung.

Zwischenpumpwerk
Das aus der Zwischenklärung fließende Abwasser wird vor der zweiten Belebungsstufe im Zwischenpumpwerk um 2,20 Meter angehoben. Das Zwischenpumpwerk besteht aus insgesamt sechs Schneckenpumpen sowie drei Tauchmotorpumpen.

Schwachlastbelebungsbecken
In der Schwachlastbelebung (zweite Stufe des AB-Verfahrens) werden zum einen weitere organische Sustanzen (CSB) eliminiert und zum anderen wird die Stickstoffkonzentration durch gezielte Nitrifikation/Denitrifikation reduziert. Weiterhin findet durch eine Simultanfällung eine weitergehende Phosphorelimination statt. Mit einer Simultanfällung erfolgt die Überführung des gelösten Phosphors in den festen Aggregatzustand. Der dabei entstehende Schlamm wird in der Nachklärung zusammen mit dem Belebtschlamm vom Abwasser getrennt.

Das gehobene Abwasser gelangt hinter dem Zwischenpumpwerk in einen gemeinsamen Kanal. Anschließend teilt sich der Abwasserstrom auf zwei getrennte Beckengruppen (1 bis 6 sowie 7 bis 14) der Schwachlastbelebung auf. Die Belebungsbecken 1 bis 6 werden baulich in vier hintereinander durchflossene Zellen unterteilt; die Belebungsbecken 7 bis 14 werden baulich in sechs nacheinander durchflossene Zellen unterteilt. Der Anteil der Denitrifikationszonen ist variabel von 40 bis 60 Prozent der gesamten Belebungsbecken.

Verdichterstationen Hochlast- und Schwachlastbelebung
Der Sauerstoff, der für den biologischen Abbau notwendig ist, wird über ein Belüftungssystem in die Belebungsbecken eingetragen; der erforderliche Luftstrom wird über Verdichter eingeblasen. Über Sammelleitungen wird die in den Verdichtern geförderte Luftmenge den Belebungsbecken zugeleitet.

Fällmitteldosierstation und Kohlenstoffdosierstation
Um Störungen des Stickstoffabbaus in der Belebung und damit eine Gefährdung der behördlich vorgegebenen Ablaufwerte des Großklärwerkes zu verhindern, kann eine Kohlenstoffquelle über eine separate Dosierstation dem Abwasser bzw. Rücklauffschlamm hinzuzudosiert werden. Durch die Zugabe wird das bestehende C/N-Verhältnis (Kohlenstoff zu Stickstoff) korrigiert und dadurch der Stickstoffabbau begünstigt.
Die Fällmittelaufbereitung, -lagerung und -dosierung für die chemische Phosphorentfernung (-elimination) findet in der Fällmittelstation statt. Für die chemische Phosphorelimination werden alternativ flüssige, dosierfähige Metallsalzlösungen oder vor Ort zu lösende Metallsalzverbindungen eingesetzt. Auf der Kläranlage kommt zur Phosphorelimination überwiegend Eisen-II-Sulfat (Grünsalz) zum Einsatz, aluminiumhaltige Produkte nur bei Bedarf von ungünstigen Schlammeigenschaften.

Nachklärbecken
Die Nachklärbecken (acht Rundbecken mit einem Durchmesser von 65 bzw. 70 Metern) werden über zwei Verteilerbauwerke beschickt. In den Becken trennt sich der Belebtschlamm vom Wasser, denn aufgrund geringer Fließgeschwindigkeit setzt er sich auf der Beckensohle ab. Der Belebtschlamm lagert sich in der Eindick- und Räumzone ab. Das gereinigte Abwasser fließt über die Ablaufrinnen ab. Die Räumung des abgesetzten, belebten Schlammes erfolgt mit einem ständig kreisenden Schildräumer zum mittigen Schlammtrichter. Eventuell zur Wasseroberfläche auftreibender Schwimmschlamm wird mit einer Schwimmschlammräumung, die an der Räumerbrücke befestigt ist, in einen Schwimmstoffsammelkasten befördert. Damit der Schlamm erneut für die Reinigungsarbeit genutzt werden kann, wird er wieder in das Belebungsbecken zurückgeführt. Die Biomasse wächst aufgrund der Zellvermehrung im Belebungsbecken kontinuierlich, deswegen muss ein Teil des abgeschiedenen Belebtschlammes als Überschussschlamm aus dem System entfernt werden.

Überschussschlammpumpwerk 2
Der Überschussschlamm aus der Schwachlastbelebung wird mittels Siebbandeindicker voreingedickt. Dazu wird der Überschussschlamm über fünf Exzenterschneckenpumpen abgezogen.

Rücklaufschlammpumpwerk 2 und 3
Die Rücklaufschlammpumpwerke 2 und 3 fördern die erforderliche Biomasse, die sich in den Schwachlastbelebungsbecken und den Nachklärbecken hydraulisch verlagert und dort sedimentiert (abgelagert) hat, als Rücklaufschlamm in die Schwachlastbelebung zurück. Der Schlammanteil, der sich durch die biologischen Umwandlungsprozesse gebildet hat, wird als Überschussschlamm aus dem System abgezogen und der Schlammbehandlung (Siebbandeindicker) zugeführt.

Filteranlage
In der Filteranlage wurde für eine weitergehende Phosphorentnahme, Restnitrifikation, ein weiterer Abbau von CSB und BSB5 sowie eine Entfernung von Suspensa und Keimen gebaut. Die Filteranlage ist eine Biofiltration nach dem System BIOFOR (Biological-Fixed-Oxygen-Reactor) als ein aufwärts durchströmter überstauter Reaktor mit gleichgerichteter Luftströmung.

Voreindicker und Siebbandeindicker
Zur statischen Eindickung des Rohschlammes stehen sechs Voreindicker zur Verfügung. Die Voreindicker werden mit dem Überschussschlamm der Hochlastbelebung beschickt. Die Eindicker werden als Standeindicker mit einer Zykluslänge von einem zum nächsten Befüllen mit einer variablen einstellbaren Schrittkette betrieben.

Zum kontinuierlichen Eindicken von Dünnschlamm aus der Schwachlastbelebung stehen vier Siebbandeindicker zur Verfügung. Das Prinzip funktioniert im Wesentlichen durch Schwerkraft. Der einzudickende Schlamm wird durch Zugabe von Flockungshilfsmittel (FHM) vermischt. Das Filtrat läuft durch die Öffnungen des Siebbandes ab. Die Flocken bleiben auf dem Siebband liegen und werden als Schlammkuchen in den Dickschlammbehälter abgeworfen. Zur Aufbereitung und Reifung des FHM gibt es eine Flockhilfsmitteldosieranlage.

Faulbehälter
Klärschlamm kann aufgrund seiner kritischen Inhaltsstoffe nicht ohne Vorbehandlung verwertet oder entsorgt werden. Der hohe Gehalt an organischen Inhaltsstoffen, die durch Fäulnisbakterien angreifbar sind, wird durch die Faulung reduziert. Hierfür stehen fünf Faulbehälter zur Verfügung, die im Temperaturbereich 35 bis 37 Grad Celsius betrieben werden. Der Schlamm aus den Voreindickern sowie aus den Siebbandeindickern wird mit dem anfallenden Schwimmschlamm über Wärmetauscher auf die Faulbehälter gegeben. Zur Umwälzung der Faulbehälter dient der Faulschlammmischer. Dieser wird dazu ständig betrieben, und zwar derart, dass der normale Förderweg von oben nach unten gerichtet ist. Der Betrieb der Faulbehälter ist über eine frei wählbare Verschaltung (Parallelbetrieb oder Reihenbetrieb) möglich. Hierdurch wird eine optimale Anpassung an die jeweiligen Betriebsbedingungen als auch eine Optimierung des Stabilisierungsgrades erreicht.

Nacheindicker
Um den Faulschlamm statisch einzudicken, stehen vier Nacheindicker zur Verfügung. Der ausgefaulte Schlamm wird aus den Faulbehältern verdrängt und läuft über eine Beschickungsleitung in die Nacheindicker. Diese sind mit Rührwerken, die den Faulschlamm homognisieren, um Ablagerungen zu vermeiden, ausgestattet.

Desintegration
Durch die thermische Klärschlammdesintegration über Wärmetauscher wird die Schlammstruktur (Schlamm aus der Schwachlastbelebung sowie Schwimmschlamm) mittels chemisch/thermischer Prozesse zerstört. Daraus resultiert ein höherer Schlammabbaugrad, der wiederum zu einer Steigerung des Klärgasertrages führt. Zudem wird erwartet, dass sich die Schlammentwässerungseigenschaften deutlich verbessern.

Co-Substrat
Über die Co-Substrat-Annahme soll der Auslastungsgrad der Schlammbehandlung, der Gasertrag und damit die Gesamtwirtschaftlichkeit der Anlage gesteigert werden. Verwertet werden dabei überwiegend Fettabscheiderinhalte sowie Abfälle aus der Lebensmittelverarbeitung. Zum Schutz der nachfolgenden Anlagentechnik werden die angelieferten Substrate zuvor aufbereitet (Zerkleinerung sowie Grobstoff- und Metallabscheidung).

Schlammentwässerung
Für die Klärschlammentwässerung stehen drei Zentrifugen zur Verfügung. In ihnen wird in einem durch die Rotation der Trommeln erzeugten Schwerefeld der Dünnschlamm entwässert. Das dabei entstehende Zentrat wird der Prozesswasserbehandlung zugeführt und der entwässerte Dickschlamm wird über den Schlammaustrag weitergefördert. Zusammen mit dem Dünnschlamm wird ein polymeres Flockungsmittel (FM) auf die Zentrifugen aufgegeben, um eine optimale Feststoffabtrennung zu erreichen. Hierzu wird das FM zuvor über eine Flockungsmittelaufbereitungsanlage soweit mit Wasser aufbereitet, sodass das FM seine volle Wirkung entfalten kann. Unter den Zentrifugen befindet sich jeweils Spiralförderer, die auf die Steigförderer der Siloanlage übergehen.

Die Steigförderanlage zum Silokopf setzt sich aus vier Spiralen zusammen. Diese sind in zwei parallelen Fördertrögen (Steigförderer 1 und 2) angeordnet, die dann wiederum den ausgefaulten Schlamm auf Querförderer übergeben. Diese werfen den Schlamm in einen der drei Silobehälter ab. Über hydraulisch angetriebene Gleitrahmen und Absperrschieber unterhalb der Silobehälter wird der Schlamm letztendlich in LKW verladen und der Entsorgung zugeführt. Bei Ausfall der beiden Steigförderer kann der Schlamm über das Notförderband ausgetragen werden.

Prozesswasserbehandlung
Das bei der Schlammentwässerung entstehende Prozesswasser, auch Zentrat genannt, ist stark stickstoffhaltig und muss separat behandelt werden. Ziel der Prozesswasserbehandlungsanlage (PWB) ist die Oxidation der Ammoniumfrachten aus den Zentraten der Schlammentwässerung. Die Prozesswasserbehandlung erfolgt in zwei Behältern. Die sauerstoffhaltigen Stickstoffverbindungen (Nitrat und/oder Nitrit) werden dem Abwasserweg grundsätzlich über zwei Wege wieder zugegeben.
Die Deammonifikation ist der Normalbetrieb und ist auch unter den Namen "Anammoxverfahren" bekannt. Die anaerobe Ammonium-Oxidation ist ein biologischer Vorgang aus dem Bereich des Stickstoffkreislaufes. In der PWB dient der vorhandenen SBR A als erste Reinigungsstufe (in der Ammonium teilweise zu Nitrit umgewandelt wird) für das zu behandelnde Zentrat aus der Schlammentwässerung. Der Behälter SBR B wird als Reaktions-/ Belebungsbehälter für den Anammoxprozess genutzt. Im SBR A wird ein bestimmtes Verhältnis von Nitrit und Ammonium benötigt, um den Ammoniumabbau über die Deammonifikation in SBR B optimal betreiben zu können.

Blockheizkraftwerk (BHKW)
Im BHKW wird der bei der Schlammfaulung anfallende regenerative Energieträger Klärgas in Wärme und elektrischen Strom umgewandelt. Insgesamt gibt es fünf BHKW-Motoren, wobei vier davon sowohl mit Klärgas als auch mit Erdgas betrieben werden können. Abhängig vom Stromverbrauch der Anlage und von der Klärgasproduktion sind im Durchschnitt zwei bis drei BHKW-Motoren in Betrieb. Der fünfte Motor kann (für den Fall, dass die externe Energieversorgung ausfällt) auch mit Diesel betrieben werden.

Klärgasspeicher und Klärgasverdichter
Das anfallende Klärgas gelangt über Kiesfilterbehälter und Klärgaskühlung in zwei Klärgasspeicher; sie dienen als Arbeitsbehälter für die Gasverwertung. Von den Klärgasspeichern aus wird das Blockheizkraftwerk beschickt. Voraussichtlich ab 2023 kann das Klärgas auch über eine Klärgasaufbereitungsanlage auf Erdgasqualität angehoben und ins externe Versorgungsnetz eingespeist werden.

Klärgasversorgung
Zur Vorreinigung des Klärgases sowie zur Kondensatabscheidung (vor allem im Winter) werden Kiesfilter genutzt. Für die anschließende Klärgasreinigung mit Aktivkohlefiltern ist eine Trocknung des Klärgases erforderlich, um die Adsorption der Schadstoffe durch die Aktivkohle nicht zu behindern.

Betriebswasserversorgung
Über Brunnenpumpen wird Grundwasser aus den drei Brunnenanlagen gefördert und anschließend über Brauchwasserdruckerhöhungsanlagen in das betriebsinterne Brauchwasserleitungsnetz der Kläranlage eingegeben. Zusätzlich wird in einer Kühlwasseraufbereitungsanlage aus dem Ablauf des GKW Köln-Stammheim entnommenes Rohwasser entsprechend den Qualitätsanforderungen der Kühlwasserverbraucher gereinigt und zur Kühlung der verschiedenen Verbraucher genutzt.

Abluftbehandlungsanlagen
Die Abluftbehandlung der verschiedenen Verfahrensstufen auf der Kläranlage erfolgt zum einen über drei Gaswäscher mit anschließendem Biofilter, zum anderen über zwei Photoionisationsanlagen, die die Reinigung der Luft übernehmen.

Hochwasserpumpwerke
Um bei einem Hochwasser des Rheins die Kläranlage sicher weiter betreiben zu können und damit es zu keinem Rückstau in dem Abwasserkanal der Kläranlage kommt, sind vor Eintritt des gereinigten Abwassers in den Vorfluter insgesamt zwei Hochwasserpumpwerke vorhanden; ein drittes ist nur für den Flittarder Sammler erforderlich. Bei einem Kölner Pegel von 6,00 m wird das Hochwasserprogramm (Kölner Programm) gestartet und alle drei Pumpwerke in Betrieb genommen. Außerdem befindet sich ein weiteres Hochwasserpumpwerk im Regenauslaufkanal, welches dem rechtsrheinischen Hochsammler zugeordnet ist und ab 9,50 m Kölner Pegel betrieben wird.

Das auf der rechtsrheinischen Seite liegende Klärwerk Stammheim wurde 1953 in Betrieb genommen und in den Anfangsjahren nur mit einer mechanischen Reinigungsstufe betrieben. Diese Art der Abwasserreinigung war damals sehr fortschrittlich.

Durch neue Erkenntnisse in der Abwasserreinigung und der Schlammbehandlung wurde das Klärwerk in den nachfolgenden Jahren, insbesondere 1976 und 1992, immer weiter ausgebaut, denn eine moderne Abwasserreinigung war schon lange nicht mehr nur ein „Heraussieben“ von groben Schmutzstoffen.
Eine mechanische Reinigungsstufe selbst ist geblieben - biologische und chemische Reinigungsstufen, Abluftbehandlungsanlagen für die Reinigung der Abwassergerüche, ein BHKW für die energetische Klärgasverwertung sowie die für den Klärwerkshochwasserschutz notwendigen Pumpwerke wurden zusätzlich gebaut und sind heute selbstverständlich.

Alle Anlagenbereiche unterliegen einem kontinuierlichen Modernisierungs- und Optimierungsprozess, um eine Erhöhung der Abwasserreinigungsleistung und eine Senkung des Energieverbrauchs sowie des Betriebsmitteleinsatzes umzusetzen.

Die komplexen biologischen und chemischen Vorgänge zur Elimination der Schadstoffe sowie die Steuerung des gesamten Klärwerks werden mittels modernster Prozessleittechnik gesteuert und in einer zentralen Hauptleitwarte überwacht.