廢水處理通常涉及物理處理法、化學處理法和生物處理法三種主要方法。這些方法可以單獨使用，也可以組合使用以達到更好的處理效果。
物理處理法。這種方法主要依靠物理或機械分離技術來處理廢水，包括篩選、沉澱、離心分離、過濾和蒸發等。例如，沉澱法利用重力使廢水中的懸浮物和重金屬離子下沉形成沉澱，離心分離法則通過離心機使不同密度的成分分離。
化學處理法。這種方法通過化學反應和傳質作用來分離、去除廢水中的污染物。常見的化學處理方法包括混凝、中和、氧化還原、化學沉澱和萃取等。例如，化學沉澱法使用氫氧化鈣等化學物質將廢水中的金屬離子轉化爲不溶於水的沉澱物。
生物處理法。這種方法利用微生物的代謝作用來降解廢水中的有機污染物。常見的生物處理方法有活性污泥法、生物膜法、好氧生物法和厭氧生物法等。例如，活性污泥法通過在池內培養好氧微生物來降解有機污染物。
廢水處理通常分爲三個級別：
一級處理。主要去除廢水中的懸浮固體污染物，如通過篩選、沉澱和氣浮等方法。
二級處理。重點去除廢水中的有機污染物，主要通過生物處理方法實現。
三級處理。進一步去除二級處理未能去除的污染物，如微生物未能降解的有機物、磷、氮和可溶性無機物，這通常涉及物理化學處理方法，如過濾、消毒、吸附和離子交換等。