Pengolahan air limbah adalah proses pengambilan air limbah dan membuatnya layak untuk dibuang kembali ke lingkungan. Air limbah dapat terbentuk dari berbagai kegiatan, antara lain mencuci, mandi, dan menggunakan jamban. Limpasan air hujan juga dianggap air limbah. Tidak peduli dari mana asalnya, air ini penuh dengan bakteri, bahan kimia, dan kontaminan lainnya. Pengolahan air limbah mengurangi kontaminan ke tingkat yang dapat diterima sehingga aman untuk dibuang ke lingkungan.
Secara umum, ada dua jenis sistem pengolahan air limbah: pabrik pengolahan biologis dan pabrik pengolahan fisik/kimia. Sebagian besar rumah tangga dan bisnis menghasilkan limbah yang dapat diurai secara alami. Pabrik pengolahan biologis menggunakan bakteri dan bahan biologis lainnya untuk memecah limbah. Air limbah industri dapat mengandung bahan kimia yang dapat merusak lingkungan, sehingga diperlukan pabrik kimia untuk mengolah limbah tersebut. Instalasi pengolahan air limbah fisik/kimia menggunakan proses fisik dan reaksi kimia untuk mengolah air limbah.
Sebuah pabrik pengolahan air limbah biologis, seperti pabrik pengolahan kota, menggunakan beberapa tangki untuk mengolah air limbah yang masuk ke dalamnya. Pertama, air limbah disaring untuk menghilangkan benda-benda yang mudah dibuang, beberapa di antaranya dapat merusak mesin pabrik pengolahan. Selanjutnya air limbah dibawa ke bak pengendapan utama di mana materi dapat mengapung atau tenggelam di dalam tangki. Air yang tersisa kemudian dikirim ke tangki pengolahan sekunder di mana materi biologis, seperti bakteri, menghilangkan banyak materi tersuspensi yang tersisa.
Zat yang dihilangkan selama pengolahan air disebut lumpur. Lumpur ini diolah dan dapat digunakan sebagai pupuk atau dalam reklamasi lahan, atau akan dikirim untuk penimbunan atau pembakaran. Untuk mengolah lumpur, profesional pengelolaan limbah dapat menggunakan pencernaan anaerobik, pencernaan aerobik, atau pengomposan. Perbedaan antara pencernaan anaerobik dan aerobik adalah bahwa pencernaan aerobik terjadi dengan adanya oksigen sedangkan pencernaan anaerobik tidak. Dalam pengomposan, lumpur dicampur dengan karbon sebelum dimasukkan ke bakteri untuk dicerna.
Setelah pengolahan sekunder, air kemudian dikirim melalui pengolahan tersier. Perawatan ini merupakan tahap terakhir sebelum air dapat dilepaskan ke lingkungan dan biasanya diakhiri dengan langkah desinfektan. Langkah ini sebenarnya adalah perawatan kimia dalam pengaturan perawatan biologis. Air yang diolah, yang disebut efluen, kemudian dibuang ke lingkungan. Air reklamasi ini juga dapat digunakan di air mancur dan untuk menyirami halaman rumput.
Pengolahan air limbah secara fisik/kimia dimulai dengan menghilangkan padatan tersuspensi dari air limbah. Air dipompa ke tangki besar di mana materi mengendap atau tenggelam, seperti di pabrik pengolahan biologis. Sama seperti di pabrik pengolahan biologis, proses ini dapat dibantu oleh pengaduk yang mencampur air menyebabkan partikel kecil bergabung menjadi partikel yang lebih besar. Dalam pabrik fisika/kimia, proses ini juga dapat dibantu lebih lanjut dengan penambahan flokulan, bahan kimia yang membentuk partikel yang lebih besar. Udara terlarut juga dapat digunakan untuk membantu menghilangkan partikel.
Proses kimia termasuk bahan kimia tambahan untuk mengendapkan bahan terlarut. Bahan kimia seperti klorin juga dapat digunakan untuk mengubah sianida menjadi karbon dioksida dan nitrogen. Bahan kimia organik juga dapat dioksidasi dengan menambahkan ozon atau hidrogen peroksida. Bahan kimia dalam air limbah juga dapat dipecah dengan menggunakan sinar ultraviolet. Instalasi pengolahan kota juga dapat menggunakan perawatan kimia untuk menghilangkan bahan seperti fosfor dari air limbah.