Nước thải sinh hoạt và công nghiệp chứa nhiều thành phần chất ô nhiễm khác nhau, để xử lý triệt để các thành phần ô nhiễm này, đòi hỏi phải kết hợp nhiều phương pháp xử lý. Một cách tổng quát, các phương pháp xử lý nước thải được chia thành 3 loại:

• Phương pháp xử lý cơ học;
• Phương pháp hoá lý và hoá học;
• Phương pháp xử lý sinh học.

A.    Phương pháp xử lý cơ học
Trong phương pháp này, các lực vật lý như lực trọng trường, lực ly tâm, được áp dụng để tách các chất không hòa tan ra khỏi nước thải. Phương pháp xử lý cơ học thường đơn giản, rẻ tiền, hiệu quả xử lý chất lơ lửng cao với các thiết bị cơ khí vận hành thủ công hoặc tự động. Các hạng mục công trình xử lý cơ học thường được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước thải là: thiết bị tách rác, thiết bị nghiền rác, bể điều hòa, khuấy trộn, lắng, lắng cao tốc, tuyển nổi, lọc, bay hơi và tách khí, …
Trong nước thải thường chứa các chất không tan ở dạng lơ lửng, để tách các chất này ra khỏi nước thải thường sử dụng các phương pháp cơ học như lọc qua song chắn rác hoặc lưới chắn rác, lắng dưới tác dụng của trọng lực. Tùy theo kích thước, tính chất lý hóa, nồng độ chất lơ lửng, lưu lượng nước thải và mức độ làm sạch mà lựa chọn công nghệ xử lý thích hợp.

B.     Phương pháp hoá học
Tùy thuộc vào đặc tính của nước thải, công đoạn xử lý hóa học thường được áp dụng trước khi vào giai đoạn sinh hóa hay xử lý bậc ba (Loại bỏ nitơ, phospho, chất lơ lửng…) đạt tiêu chuẩn trước khi xả vào nguồn tiếp nhận. Xử lý hóa học được áp dụng cho NMXLNT bao gồm phương pháp trung hòa và phương pháp kết tủa.
Phương pháp trung hòa: nước thải đầu vào của NMXLNT tập trung có thể có độ acid hay kiềm cao nên để tạo môi trường thuận lợi cho các quá trình sinh hóa trong hệ thống (Kỵ khí và hiếu khí) không bị ảnh hưởng, nước thải sẽ được trung hòa đến giá trị pH nằm trong khoảng từ 6,5-7,5 trước khi vào hệ thống xử lý sinh học.
Phương pháp kết tủa, tách cặn: Khi nước thải đầu vào có nồng độ các chất ô nhiễm quá cao hoặc nước thải chứa các thành phần chất độc hại gây bất lợi cho quá trình xử lý sinh học thì thường được bổ sung các chất hóa học để thực hiện các phản ứng keo tụ kết tủa sau đó tách cặn. Khi đó nước thải đảm bảo độ ổn định sẽ được đưa qua bước xử lý sinh học.
C.    Phương pháp xử lý sinh học
Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H₂S, sunfit, ammonia, nitơ, … dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân chia thành 2 loại:
·         Phương pháp kị khí: Sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều  kiện không có oxy;
·         Phương pháp hiếu khí: Sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo ba giai đoạn chính như sau:
–          Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật;
–          Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào;
–          Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới.