Bevor das Abwasser entsorgt wird, kommen verschiedene Verfahren der Abwasserbehandlung zum Einsatz. Ziel ist es, die Kontamination von Wasser in Erholungsgebieten oder in Wasserversorgungen zu verhindern, sobald das gereinigte Abwasser freigesetzt wird. Abwasser wird meist im Durchlaufverfahren entweder durch chemische Abwasserbehandlung oder durch physikalische oder biologische Verfahren behandelt. Diese Verfahren und die verschiedenen Behandlungsstufen finden in Kläranlagen statt, in Anlagen, die für den Umgang mit großen Wassermengen und die sichere Entsorgung von Abfallstoffen ausgelegt sind.
Bei einem physikalischen Abwasserreinigungsverfahren werden keine chemischen Komponenten oder biologisches Material zur Behandlung von Wasser hinzugefügt. Das Wasser kann gesiebt werden, um große Gegenstände herauszufiltern. Es kann auch durch Sedimentation behandelt werden, bei der sich Feststoffe unter dem Einfluss der Schwerkraft am Boden absetzen. Festkörperfreies Wasser kann dann entfernt werden. Andere physikalische Prozesse umfassen die Zugabe von Luft, um dem Abwasser Sauerstoff zuzuführen, und das Wasser kann auch durch einen Filter geleitet werden, um feste Stoffe zu entfernen.
Eine andere Möglichkeit zur Abwasserbehandlung ist die Verwendung von Chemikalien wie Chlor, das Bakterien abtötet, sowie Ozon. Diese Chemikalien dienen dazu, das Wasser zu oxidieren, Krankheitserreger abzutöten und die Zersetzung zu verlangsamen. Der Mischung kann auch eine Säure oder Base zugesetzt werden, um den pH-Wert des Abwassers zu neutralisieren, während koagulierende Chemikalien mit Materialien im Wasser reagieren, um sie leichter zu entfernen. Bei der Abwasserreinigung werden häufig chemische und physikalische Verfahren kombiniert, etwa wenn Aktivkohle zur Entfernung organischer Stoffe eingesetzt wird.
Bakterien und andere Mikroorganismen können in der biologischen Abwasserreinigung eingesetzt werden. Diese zersetzen andere biologische Stoffe im Abwasser und je nach Sauerstoffgehalt des Wassers können aerobe oder anaerobe Abwasserreinigungsverfahren durchgeführt werden. Organische und anorganische Feststoffe können auch als Klärschlamm entfernt werden.
Jedes Abwasserbehandlungsverfahren dient einem Zweck, und je nach Behandlungsstufe werden unterschiedliche Verfahren verwendet. Bei der Vorbehandlung kommen häufig physikalische Verfahren zum Einsatz, die den Einsatz von Sieb-, Schneid- und Zerkleinerungsgeräten beinhalten. Die Vorbehandlung umfasst physikalische und chemische Prozesse und hängt stärker von großen Tanks ab. Die biologische Abwasserbehandlung ist typischerweise das Verfahren, das für die Sekundärbehandlung verwendet wird, und physikalische Verfahren oder Chemikalien werden in fortgeschritteneren Stufen des Abwasserbehandlungsprozesses verwendet. Abwasser wird in der Regel in mehreren Stufen behandelt, die verschiedene physikalische, chemische und biologische Verfahren kombinieren.