Les enjeux de l'assainissement vont au-delà de la seule épuration des eaux usées. Parmi les défis que doivent relever les stations d'épuration figurent : l'optimisation des consommations, le recyclage des ressources qu'elles contiennent (énergie, matières), la réduction des impacts environnementaux et la maîtrise des coûts. Dans ce contexte, les modèles mathématiques du fonctionnement des stations sont apparus comme un outil de choix pour l'aide à la conception et à la gestion des stations ainsi qu'à la formation du personnel et à la recherche. La représentation mathématique du fonctionnement des installations de traitement des eaux nécessite plusieurs modèles, parmi lesquels : un modèle d'écoulements ; des modèles représentant les phénomènes physico-chimiques (précipitation-dissolution, décantation, filtration, adsorption …), un modèle biocinétique représentant les phénomènes biologiques ; un modèle de fractionnement de la matière organique en classe de biodégradabilité, permettant de convertir les analyses réalisées sur l'eau usée en variables d'état utilisées dans les modèles; et un modèle de transfert gaz-liquide (aération, émissions de gaz, ...). Cette présentation vise à montrer des exemples de travaux réalisés à l'aide d'approches de modélisation et à illustrer l'apport de ces outils dans le développement de connaissances et leur implication opérationnelle. Les challenges actuels sont également abordés.