廢水中污染物多種多樣，從污染物形態分，有溶解性的、膠體狀的和懸浮狀的污染物。從化學性質分，有有機污染物和無機污染物。有機污染物從生物降解的難易程度又可分為可生物降解的有機物和不可生物降解的有機物。廢水處理即是利用各種技術措施將各種形態的污染物從廢水中分離出來，或將其分解、轉化為無害和穩定的物質，從而使廢水得以凈化的過程。根據所采用的技術措施的作用原理和去除對象，廢水處理方法可分為物理處理法、化學處理法和生物處理法三大類。
（一）廢水的物理處理法
廢水的物理處理法是利用物理作用來進行廢水處理的方法，主要用于分離去除廢水中不溶性的懸浮污染物。在處理過程中廢水的化學性質不發生改變。主要工藝有篩濾截留、重力分離（自然沉淀和上浮）、離心分離等，使用的處理設備和構筑物有格柵和篩網、沉砂池和沉淀池、氣浮裝置、離心機、旋流分離器等。
1.格柵與篩網
格柵是由一組平行的金屬柵條制成的具有一定間隔的框架。將其斜置在廢水流經的渠道上，用于去除廢水中粗大的懸浮物和漂浮物，以防止后續處理構筑物的管道閥門或水泵受到堵塞。篩網是由穿孔濾板或金屬網構成的過濾設備，用于去除較細小的懸浮物。
2.沉淀法
沉淀法的基本原理是利用重力作用使廢水中重于水的固體物質下沉，從而達到與廢水分離的目的。這種工藝處理效果好，并且簡單易行。因此，在廢水處理中應用廣泛，是一種重要的處理構筑物。在廢水處理中，沉淀法主要應用于：①在沉砂池去除無機砂粒；②在初次沉淀池中去除重于水的懸浮狀有機物；③在二次沉淀池去除生物處理出水中的生物污泥；④在混凝工藝之后去除混凝形成的絮凝體；⑤在污泥濃縮池中分離污泥中的水分，濃縮污泥。
3.氣浮法
用于分離比重與水接近或比水小，靠自重難以沉淀的細微顆粒污染物。其基本原理是在廢水中通入空氣，產生大量的細小氣泡，并使其附著于細微顆粒污染物上，形成比重小于水的浮體，上浮至水面，從而達到使細微顆粒與廢水分離的目的。
4.離心分離
使含有懸浮物的廢水在設備中高速旋轉，由于懸浮物和廢水質量不同，所受的離心不同，從而可使懸浮物和廢水分離的方法。根據離心力的產生方式，離心分離設備可分為旋流分離器和離心機兩種類型。
（二）廢水的化學處理法
化學處理法是利用化學反應來分離、回收廢水中的污染物，或將其轉化為無害物質，主要工藝有中和、混凝、化學沉淀、氧化還原、吸附、離子交換等。
1.中和法
中和法是利用化學方法使酸性廢水或堿性廢水中和達到中性的方法。在中和處理中，應盡量遵循“以廢治廢”的原則，優先考慮廢酸或廢堿的使用，或酸性廢水與堿性廢水直接中和的可能性。其次才考慮采用藥劑（中和劑）進行中和處理。
2.混凝法
混凝法是通過向廢水中投入一定量的混凝劑，使廢水中難以自然沉淀的膠體狀污染物和一部分細小懸浮物經脫穩、凝聚、架橋等反應過程，形成具有一定大小的絮凝體，在后續沉淀池中沉淀分離，從而使膠體狀污染物得以與廢水分離的方法。通過混凝，能夠降低廢水的濁度、色度，去除高分子物質，呈懸浮狀或膠體狀的有機污染物和某些重金屬物質。
3.化學沉淀法
化學沉淀法是通過向廢水中投入某種化學藥劑，使之與廢水中的某些溶解性污染物質發生反應，形成難溶鹽沉淀下來，從而降低水中溶解性污染物濃度的方法。化學沉淀法一般用于含重金屬工業廢水的處理。根據使用的沉淀劑的不同和生成的難溶鹽的種類，化學沉淀法可分為氫氧化物沉淀法、硫化物沉淀法和鋇鹽沉淀法。
4.氧化還原法
氧化還原法是利用溶解在廢水中的有毒有害物質，在氧化還原反應中能被氧化或還原的性質，把它們轉變為無毒無害物質的方法。廢水處理使用的氧化劑有臭氧、氯氣、次氯酸鈉等，還原劑有鐵、鋅、亞硫酸氫鈉等。
5.吸附法
吸附法是采用多孔性的固體吸附劑，利用同一液相界面上的物質傳遞，使廢水中的污染物轉移到固體吸附劑上，從而使之從廢水中分離去除的方法。具有吸附能力的多孔固體物質稱為吸附劑。根據吸附劑表面吸附力的不同，可分為物理吸附、化學吸附和離子交換性吸附。在廢水處理中所發生的吸附過程往往是幾種吸附作用的綜合表現。廢水中常用的吸附劑有活性炭、磺化煤、沸石等。
6.離子交換法
離子交換是指在固體顆粒和液體的界面上發生的離子交換過程。離子交換水處理法是利用離子交換劑對物質的選擇換能力去除水和廢水中的雜質和有害物質的方法。
7.膜分離
可使溶液中一種或幾種成分不能透過，而其他成分能透過的膜，稱為半透膜。膜分離是利用特殊的半透膜的選擇性透過作用，將廢水中的顆粒、分子或離子與水分離的方法，包括電滲析、擴散滲析、微過濾、超過濾和反滲透。
（三）廢水的生物處理法
在自然界中，棲息著巨量的微生物。這些微生物具有氧化分解有機物并將其轉化成穩定無機物的能力。廢水的生物處理法就是利用微生物的這一功能，并采用一定的人工措施，營造有利于微生物生長、繁殖的環境，使微生物大量繁殖，以提高微生物氧化、分解有機物的能力，從而使廢水中的有機污染物得以凈化的方法。根據采用的微生物的呼吸特性，生物處理可分為好氧生物處理和厭氧生物處理兩大類。根據微生物的生長狀態，廢水生物處理法又可分為懸浮生長型（如活性污泥法）和附著生長型（生物膜法）。
1.好氧生物處理法
好氧生物處理是利用好氧微生物，在有氧環境下，將廢水中的有機物分解成二氧化碳和水。好氧生物處理效率高，使用廣泛，是廢水生物處理中的主要方法。好氧生物處理的工藝很多，包括活性污泥法、生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化等工藝。
2.厭氧生物處理法
厭氧生物處理是利用兼性厭氧菌和專性厭氧菌在無氧條件下降解有機污染物的處理技術，最終產物為甲烷、二氧化碳等。多用于有機污泥、高濃度有機工業廢水，如啤酒廢水、屠宰廠廢水等的處理，也可用于低濃度城市污水的處理。污泥厭氧處理構筑物多采用消化池，最近20多年來，開發出了一系列新型高效的厭氧處理構筑物，如升流式厭氧污泥床、厭氧流化床、厭氧濾池等。
3.自然生物處理法
自然生物處理法即利用在自然條件下生長、繁殖的微生物處理廢水的技術。主要特征是工藝簡單，建設與運行費用都較低，但凈化功能易受到自然條件的制約。主要的處理技術有穩定塘和土地處理法。
（四）廢水處理工藝流程
由于廢水中污染物成分復雜，單一處理單元不可能去除廢水中全部污染物，常需要多個處理單元有機組合成適宜的處理工藝流程。確定廢水處理工藝的主要依據是所要達到的處理程度。而處理程度又主要取決于原廢水的性質、處理后廢水的出路以及接納處理后廢水水體的環境標準和自凈能力。
1.城市廢水的一般處理工藝流程
其主要任務是去除城市廢水中含有的懸浮物和溶解性有機物。一般處理工藝流程，根據不同的處理程度，可分為預處理、一級處理、二級處理和三級處理。
（1）預處理：主要工藝包括格柵、沉砂池，用于去除城市污水中的粗大懸浮物和比重大的無機砂粒，以保護后續處理設施正常運行并減輕負荷。
（2）一級處理：一級處理一般為物理處理，主要去除污水中的懸浮狀固體物質。懸浮物去除率為50％～70％，有機物去除率為25％左右，一般達不到排放標準。因此一級處理屬于二級處理的前處理。主要工藝為沉淀池。
（3）二級處理：二級處理為生物處理，用于大幅度去除污水中呈膠體或溶解性的有機物，有機物去除率可達90％以上，處理后出水BOD可降至20～30毫克/升，達到國家規定的污水排放標準。主要工藝有活性污泥法、生物膜法等。
（4）三級處理：在二級處理之后，用于進一步去除殘存在廢水中的有機物和氮磷，以滿足更嚴格的廢水排放要求或回用要求。采用的工藝有生物除氮脫磷法，或混凝沉淀、過濾、吸附等一些物化方法。
2.工業廢水的處理工藝流程
由于工業廢水水質成分復雜，且隨行業、生產工藝流程、原料的變化而變化，故沒有通用的工藝流程。