廢水處理是一種從廢水或污水中去除污染物并將其轉化為廢水的過程，該廢水可返回水循環，對環境的影響比較小，或直接再利用。后者被稱為水回收，因為處理后的廢水可以用于其他用途。處理過程發生在廢水處理廠，通常被稱為水資源回收設施或污水處理廠。城市污水（家庭和小型工業）中的污染物被清除或分解。
廢水處理是整個衛生領域的一部分。衛生設施還包括對人類廢物和固體廢物的管理以及雨水（排水）管理。來自廢水處理廠的副產品，如篩網、粗砂和污水污泥也可在廢水處理廠進行處理。
盡管處理或再利用發生在處理之后，但必須首先考慮。由于處理或再利用是廢水處理的目標，因此處理或再利用的方案是處理決策的基礎。可接受的雜質濃度可能因使用類型或處理位置而異。海洋處置應遵守國際條約的要求。國際條約也可以規定對跨界河流的處置。完全在一個國家管轄范圍內的水體可能受到多個地方政府的管制。可接受的雜質濃度在不同的司法管轄區內可能存在很大差異。
生物工藝可用于廢水處理，這些工藝可包括，例如，曝氣池、活性污泥或慢砂過濾器。為了有效，必須通過適當的管道和基礎設施將污水輸送到處理廠，并且必須對工藝本身進行監管和控制。有些廢水需求不同的，有時是專門的處理方法。在最簡單的層面上，污水和大多數廢水的處理是通過固體與液體的分離來進行的，通常是通過沉淀來進行的。通過逐步將溶解的物質轉化為固體，通常是一種生物絮體，然后將其沉淀出來，從而產生純度更高的污水流。
相位分離
澄清器廣泛用于廢水處理。相位分離將雜質轉移到非水相。相分離可能發生在處理序列的中間點，以去除氧化或拋光過程中產生的固體。油脂和油可回收用于燃料或皂化。在污水處理廠中，固體通常需要污泥脫水。干燥固體的處置方案因從水中去除雜質的類型和濃度而異。通過離子交換、反滲透和蒸餾等方法從水中去除溶解的無機固體。
沉淀
當密度差足以克服湍流的擴散時，固體如石頭、排泄物等和非極性的液體可通過重力從廢水中去除。固體重力分離是污水的一級處理，單元工藝稱為“一級沉淀池”。它也廣泛用于處理其他廢水。比水重的固體會積聚在靜止沉淀池的底部。更復雜的澄清器也有撇油器，可以同時去除漂浮的油脂（如肥皂浮渣）和固體（如羽毛或木屑）。油水分離器等容器就是專門設計用來分離非極性液體。
過濾
懸浮固體和微粒的膠狀懸浮物，通常在某種形式的凝固之后，可通過細物理屏障過濾去除，而細物理屏障與粗篩網或篩網的區別在于能夠去除比水通過的開口小的顆粒。
氧化
氧化降低了廢水的生化需氧量，并可能降低一些雜質的毒性。二級處理將有機化合物轉化為二氧化碳、水和生物固體。化學氧化法廣泛用于消毒。
生化氧化
溶解有機物和膠體有機物的生化氧化二次處理在污水處理中得到廣泛應用，適用于一些農業和工業廢水。生物氧化將優先去除作為處理生態系統食物供應的有機化合物。一些不易消化的化合物的濃度可以通過共代謝降低。去除效率受到維持處理生態系統所需的最低濃度的限制。
化學氧化
氧化用于去除生化氧化后殘留的一些持久性有機污染物和濃度化學氧化消毒通過向廢水中添加臭氧、氯或次氯酸鹽來殺死細菌和微生物病原體。
拋光
拋光也可單獨用于某些工業廢水。化學還原或pH值調整使化學氧化后廢水的化學反應性降至最低。通過活性炭化學吸附去除殘留的污染物和雜質。通過砂（碳酸鈣）或織物過濾器過濾是城市污水處理中最常用的方法。
