针对不同污染物质的特征，发展了各种不同的废水处理方法，这些处理方法按其作用原理划分为四大类：物理处理法、化学处理法、物理化学法、生物处理法。
(1)物理处理法
利用物理作用分离污水中主要呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中污染物质的化学性质不发生改变。
主要有：利用污染物质与水的密度差异借重力沉降作用使其从水中分离的沉淀法，利用筛滤介质截流污水中的悬浮物的筛滤法;利用气浮处理设备在污水中形成的微小气泡上浮时将密度接近于水的微小颗粒状的污染物质粘附去除的气浮法;利用反渗透膜将污染物截留的反渗透法等。主要处理设施包括格栅、沉砂池、沉淀池、气浮池等。
(2)化学处理法
利用化学反应作用来分离、回收污水中的污染物。
主要有：混凝法(通过向水中投加带有与胶体状污染物质相反电荷的电解质(混凝剂)改变胶体颗粒稳定性从而使其凝聚沉淀去除)、中和法(通过向酸性废水中投加碱性物质或向碱性废水中投加酸性物质改变污水PH值)、氧化还原法(向废水中投加氧化剂或还原剂通过氧化还原作用使污染物质转变为无害的物质，主要用于处理含酚、氰废水和含铬、含汞废水)、电解法(在污水中插入电，在阳相阴分别发生氧化还原反应，主要用于处理含铬和含氰污水)、吸附法(通过团体吸附剂将污水中的溶解性有机或无机污染物吸附)、电渗析法(通过由阴、阳离子交换膜组成的电渗析器使污水中的阴、阳离子得到分离)、汽提法、吹脱法、牟取法等。
(3)物理化学法
利用物理化学作用去除废水中的污染物质。物理化学法主要有吸附法、离子交换法、膜分离法、萃取法、气提法和吹脱法等。
(4)生物处理法
利用微生物的新陈代谢功能使污水中呈溶解和胶体状态的有机污染物被溶解并转化为无害的物质，包括好氧和厌氧生物处理两种方式。其中，好氧生物处理对COD的去除效果较好。好氧生物处理法主要分为活性污泥法和生物膜法。这两种方法中活性污泥法、氧化沟、SBR、A2/O、曝气生物滤池、生物接触氧化、生物流化床几种工艺在国内外应用的较广泛。
