排放到汙水處理廠的汙水及工業廢水，可利用多種分離和轉化進行無害化處理，其基本方法可分為物理法、化學法、物理化學法和生物法。各種方法的簡要基本原理和單元技術列入表2－2。
基本方法基本原理單元技術物理法物理或機械的分離過程過濾，沉澱，離心分離，上浮等化學法加入化學物質與汙水中有害物質發生化學反應的轉化過程中和，氧化，還原，分解，混凝，化學沉澱等物理化學法物理化學的分離過程汽提，吹脫，吸附，萃取，離子交換，電解電滲析，反滲透等生物法微生物在汙水中對有機物進行氧化，分解的新陳代謝過程活性汙泥，生物濾池，生物轉盤，氧化塘，厭氣消化等廢水按水質狀況及處理後出水的去向確定其處理程度。廢水處理程度可分為一級、二級和三級處理。
一級處理由篩濾、重力沉澱和浮選等物理方法串聯組成，主要是用以除去廢水中大部分粒徑在0.1mm以上的大顆粒物質（固體懸浮物），且減輕廢水的腐化程度。經一級處理後的廢水一般還達不到排放標準，故通常作為預處理階段，以減輕後續處理工序的負荷和提高處理效果。
二級處理是采用生物處理方法（又稱微生物法）及某些化學法，用以去除水中的可降解有機物和部分膠體汙染物。
在自然界中，存在大量依靠有機物生存的微生物，它們具有氧化分解有機物的巨大能力。生物法處理廢水就是利用微生物的代謝作用，使廢水中的有機汙染物氧化降解成無害物質的方法。
二級處理中采用的化學法主要是化學絮凝法（或稱混凝法）。廢水中的某些汙染物常以細小懸浮顆粒或膠體顆粒的形式存在，很難用自然沉降法除去。向廢水中投加凝聚劑（混凝劑），使細小懸浮顆粒的膠體顆粒聚集成較粗大的顆粒而沉澱，與水分離。常用的凝聚劑有硫酸鋁（Al2（SO4）3），明礬（硫酸鋁鉀），硫酸亞鐵（FeSO4），硫酸鐵（Fe2（SO4）3）），三氯化鐵（FeCl3）等無機凝聚劑和多種有機聚合物（高分子）凝聚劑。經過二級處理後的水一般可達到農灌標準和廢水排放標準。但水中還存留一定量的懸浮物、生物不能分解的有機物、溶解性無機物和氮、磷等藻類增殖營養物，並含有病毒和細菌，因而還不能滿足較高要求的排放標準，也不能直接用作自來水，要作為某些工業用水和地下水的補給水，則需要繼續對水進行三級處理。
三級處理可采用化學法（化學沉澱法、氧化還原法等）、物理化學法（吸附、離子交換、萃取、電滲析、反滲透法等），這是以除去某些特定汙染的一種“深度處理”方法。
化學法就是通過化學反應改變廢水中汙染物的化學性質或物理性質，使之發生化學或物理狀態的變化，進而將其從水中除去。例如化學沉澱法，就是利用某些化學物質作沉澱劑，與廢水中的汙染物（主要是重金屬離子）進行化學反應，生成難溶於水的物質沉澱析出，從廢水中分離出去。如可用石灰（Ca（OH）2）與廢水中Cd2＋，Hg2＋等重金屬離子形成難溶於水的氫氧化物沉澱：Cd2＋＋Ca（OH）2Cd（OH）2＋Ca2＋Hg2＋＋Ca（OH）2Hg（OH）2＋Ca2＋利用沉澱反應除去廢水中汙染的重金屬離子，是水溶液中主要化學反應之一，也是沉澱－溶解平衡的應用。