Olika processmetoder för avloppsvattenrening används innan avloppsvatten tas om hand. Målet är att förhindra förorening av eventuellt vatten i rekreationsområden eller i vattenförsörjning när det renade avloppsvattnet släpps ut. För det mesta behandlas avloppsvatten under en kontinuerlig flödesprocess antingen genom kemisk avloppsvattenrening eller genom fysikaliska eller biologiska metoder. Dessa metoder och olika reningssteg förekommer vid avloppsreningsverk, anläggningar som är utformade för att hantera stora volymer vatten och omhänderta avfallsföreningar på ett säkert sätt.
En fysisk avloppsvattenreningsprocess tillför inga kemiska komponenter eller biologiskt material för att behandla vatten. Vattnet kan silas för att filtrera bort stora föremål. Det kan också behandlas med hjälp av sedimentering, under vilken fasta ämnen sedimenterar till botten under påverkan av gravitationen. Vatten som är fritt från fasta ämnen kan sedan avlägsnas. Andra fysiska processer inkluderar tillsats av luft för att tillhandahålla syre i avloppsvattnet, och vattnet kan också passera genom ett filter för att bli av med fasta material.
Ett annat sätt att behandla avloppsvatten är att använda kemikalier som klor, som dödar bakterier, samt ozon. Dessa kemikalier tjänar till att oxidera vattnet, döda alla patogener och bromsa nedbrytningstakten. En syra eller bas kan också tillsättas blandningen för att neutralisera pH i avloppsvattnet, medan koagulerande kemikalier reagerar med material i vattnet för att göra dem lättare att ta bort. Kemiska och fysikaliska metoder kombineras ofta i avloppsvattenreningsprocessen, till exempel när aktivt kol används för att avlägsna organiska ämnen.
Bakterier och andra mikroorganismer kan användas vid biologisk rening av avloppsvatten. Dessa bryter ner andra biologiska material i avloppsvattnet och beroende på syrehalten i vattnet kan aeroba eller anaeroba reningsmetoder utföras. Organiska och oorganiska fasta ämnen kan också avlägsnas som reningsslam för avloppsvatten.
Varje avloppsvattenreningsprocess har ett syfte, och olika processer används beroende på reningsstadiet. Fysiska processer används ofta vid förbehandling, vilket innebär användning av anordningar för siktning, skärning och rivning. Primär behandling inkluderar fysikaliska och kemiska processer, och är mer beroende av stora tankar. Biologisk rening av avloppsvatten är vanligtvis den metod som används för sekundär rening, och fysikaliska metoder eller kemikalier används i mer avancerade stadier av reningsprocessen. Avloppsvatten behandlas vanligtvis i flera steg som kombinerar olika fysikaliska, kemiska och biologiska metoder.