Metode pengolahan air hitam menggunakan metode fisik, biologi, dan kimia untuk mengolah limbah organik dan anorganik padat dan cair, umumnya dikenal sebagai limbah, yang dihasilkan oleh manusia melalui ekskresi tubuh dan aktivitas domestik, serta aktivitas pertanian, industri, dan komersial. Tujuannya adalah untuk menghilangkan padatan, memecah senyawa organik, menghilangkan mikroorganisme penyebab penyakit, menghilangkan zat kimia berbahaya dan mencegah atau menghilangkan bau yang mengganggu dan berbahaya serta perubahan warna tanah. Berbagai jenis pengolahan air hitam termasuk septic tank, kolam limbah, saluran pembuangan tanah, bahan kimia, biodigester, toilet pengomposan dan sistem daur ulang air hitam.
Seberapa efektif metode pengolahan air hitam atau abu-abu dalam mengolah bagian biologis dari aliran limbah mungkin merupakan faktor terpenting ketika mempertimbangkan berbagai jenis pengolahan air. Bagian ini mengandung bakteri, virus dan protozoa yang menyebabkan penyakit pada manusia. Air hitam mungkin juga mengandung unsur kimia anorganik berbahaya, seperti nitrogen dan fosfor, yang biasa ditemukan dalam pupuk, serta logam berat yang berpotensi beracun, seperti kadmium dan merkuri.
Tangki septik dan saluran pembuangan tanah telah, dan terus menjadi, jenis sistem pengolahan air hitam di tempat yang paling umum di Amerika Serikat untuk rumah dan kelompok kecil rumah yang tidak terhubung ke air limbah terpusat, biasanya kota, atau sistem pengolahan air limbah. Mereka biasanya menggunakan sarana fisik dan biologis untuk pengolahan air hitam. Yang pertama termasuk perkolasi dan filtrasi — melalui kerikil, pasir dan arang aktif. Yang terakhir mengambil keuntungan dari pencernaan anaerobik dan aerobik oleh bakteri alami untuk pengolahan air.
Mengolah air hitam juga dapat melibatkan penambahan bahan kimia, seperti klorin, untuk mendisinfeksi air hitam. Selain itu, bahan kimia dapat ditambahkan yang menyebabkan reaksi yang mengakibatkan penghilangan zat organik dan anorganik yang berbahaya. Di ujung yang berlawanan dari skala kualitas pengolahan, kolam septik, atau lubang septik, telah lama digunakan sebagai alternatif yang seringkali lebih murah, karena mereka adalah tangki tertutup yang dirancang hanya untuk menampung limbah sampai dipompa keluar dan diangkut ke tempat lain untuk pengolahan.
Alternatif yang berusaha untuk meniru cara alam memperlakukan air hitam juga digunakan karena dianggap kurang berbahaya secara ekologis. Ini termasuk biodigester, lahan basah buatan dan tempat tidur alang-alang, toilet pengomposan dan sistem daur ulang air hitam. Biodigester biasanya berusaha membuat penggunaan pencernaan anaerobik dan aerobik yang lebih efisien dan efektif untuk mengolah air hitam. Tanaman yang menyerap nitrogen, fosfor dan bahkan logam dapat ditanam di lahan basah buatan atau tempat tidur alang-alang.
Sistem daur ulang air hitam membentuk kategori lain dari sistem pengolahan air hitam. Secara umum, ini juga biasanya menggunakan berbagai jenis metode fisik, biologi dan kimia untuk pengolahan air hitam. Perbedaan antara ini dan jenis pengolahan lainnya adalah bahwa air yang diolah kemudian didaur ulang kembali ke dalam lingkaran sistem air hitam daripada dibuang.