在化工污水处理的过程中，通过物理或物化方法实现固液分离，可以大幅降低悬浮物或油脂的含量。混凝沉淀法是常用的固液分离方法，主要是通过添加化学药剂，使得废水中的颗粒物发生凝聚作用，在重力的作用下沉淀到底部。气浮是向污水中充入气体，使得污水中的颗粒物或油脂粘附在气泡表面，随着气泡的浮力升到液体表面，通过刮渣系统实现固液分离。
使用化学方法处理污染物，一般是处理化工污水中的有机物、无机物杂质。常用的工艺组合是铁碳-芬顿法，芬顿试剂法是通过向污水中添加同等比例的Fe2+和H2O2，在污水中生产了具有强氧化效果的羟基离子。羟基离子和污水中的大分子难降解的有机污染物发生氧化反应，生成小分子物质和Fe3+。为了增强污水有机物的氧化效果，往往会和铁碳一起使用。在时间不变的情况下，可以大幅增加氧化的数量。除此之外，还有电化学氧化法、化学混凝法等。
如果能了解到污水中抑制微生物代谢的物质，可以采用针对性的方法先分离去除，再使用厌氧的方法进行处理。使用这样的方法处理是有条件的，比如先调节污水的水质，即温度、pH值，降低悬浮物的含量。脱盐处理，防止过多的盐分腐蚀管道和设备。更重要的是盐分过高，也会使得微生物细胞脱水，影响生物氧化的进行。至于污水的温度、pH值调节到多少，要看设计的处理方案。既考虑到处理的效果，也兼顾了处理成本。
厌氧和好氧的处理是生物氧化常用的方法，厌氧和好氧方法的结合是通过活性污泥法的工艺，将污水中的有机物如氨氮、磷等氧化处理。常见的厌氧处理设备有水解酸化池、升流式厌氧活性污泥法（UASB）、厌氧折流板等。好氧处理设备有接触氧化法、深井曝气池、序批式间隙活性污泥法、生物膜氧化法等。采用厌氧和好氧结合的方法，可以将大幅降低COD和BOD。厌氧处理的过程中会有气体产生，即甲烷和二氧化碳，可以做成清洁能源-沼气。好氧处理是充分利用好氧微生物的代谢作用，将厌氧处理产生的小分子物质进一步氧化。最后，采用混凝沉淀或气浮的方法，将污水进一步的深度净化。