废水处理是一种从废水或污水中去除污染物并将其转化为废水的过程，该废水可返回水循环，对环境的影响比较小，或直接再利用。后者被称为水回收，因为处理后的废水可以用于其他用途。处理过程发生在废水处理厂，通常被称为水资源回收设施或污水处理厂。城市污水（家庭和小型工业）中的污染物被清除或分解。
废水处理是整个卫生领域的一部分。卫生设施还包括对人类废物和固体废物的管理以及雨水（排水）管理。来自废水处理厂的副产品，如筛网、粗砂和污水污泥也可在废水处理厂进行处理。
尽管处理或再利用发生在处理之后，但必须首先考虑。由于处理或再利用是废水处理的目标，因此处理或再利用的方案是处理决策的基础。可接受的杂质浓度可能因使用类型或处理位置而异。海洋处置应遵守国际条约的要求。国际条约也可以规定对跨界河流的处置。完全在一个国家管辖范围内的水体可能受到多个地方政府的管制。可接受的杂质浓度在不同的司法管辖区内可能存在很大差异。
生物工艺可用于废水处理，这些工艺可包括，例如，曝气池、活性污泥或慢砂过滤器。为了有效，必须通过适当的管道和基础设施将污水输送到处理厂，并且必须对工艺本身进行监管和控制。有些废水需求不同的，有时是专门的处理方法。在最简单的层面上，污水和大多数废水的处理是通过固体与液体的分离来进行的，通常是通过沉淀来进行的。通过逐步将溶解的物质转化为固体，通常是一种生物絮体，然后将其沉淀出来，从而产生纯度更高的污水流。
相位分离
澄清器广泛用于废水处理。相位分离将杂质转移到非水相。相分离可能发生在处理序列的中间点，以去除氧化或抛光过程中产生的固体。油脂和油可回收用于燃料或皂化。在污水处理厂中，固体通常需要污泥脱水。干燥固体的处置方案因从水中去除杂质的类型和浓度而异。通过离子交换、反渗透和蒸馏等方法从水中去除溶解的无机固体。
沉淀
当密度差足以克服湍流的扩散时，固体如石头、排泄物等和非极性的液体可通过重力从废水中去除。固体重力分离是污水的一级处理，单元工艺称为“一级沉淀池”。它也广泛用于处理其他废水。比水重的固体会积聚在静止沉淀池的底部。更复杂的澄清器也有撇油器，可以同时去除漂浮的油脂（如肥皂浮渣）和固体（如羽毛或木屑）。油水分离器等容器就是专门设计用来分离非极性液体。
过滤
悬浮固体和微粒的胶状悬浮物，通常在某种形式的凝固之后，可通过细物理屏障过滤去除，而细物理屏障与粗筛网或筛网的区别在于能够去除比水通过的开口小的颗粒。
氧化
氧化降低了废水的生化需氧量，并可能降低一些杂质的毒性。二级处理将有机化合物转化为二氧化碳、水和生物固体。化学氧化法广泛用于消毒。
生化氧化
溶解有机物和胶体有机物的生化氧化二次处理在污水处理中得到广泛应用，适用于一些农业和工业废水。生物氧化将优先去除作为处理生态系统食物供应的有机化合物。一些不易消化的化合物的浓度可以通过共代谢降低。去除效率受到维持处理生态系统所需的最低浓度的限制。
化学氧化
氧化用于去除生化氧化后残留的一些持久性有机污染物和浓度化学氧化消毒通过向废水中添加臭氧、氯或次氯酸盐来杀死细菌和微生物病原体。
抛光
抛光也可单独用于某些工业废水。化学还原或pH值调整使化学氧化后废水的化学反应性降至最低。通过活性炭化学吸附去除残留的污染物和杂质。通过砂（碳酸钙）或织物过滤器过滤是城市污水处理中最常用的方法。
