Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng sinh hĩa diễn ra giữa các chất ơ nhiễm và hĩa chất thêm vào. Những phản ứng diễn ra cĩ thể là phản ứng oxy hĩa khử, phản ứng trung hịa tạo kết tủa hoặc các phản ứng phân hủy chất độc hại. Các phương pháp hĩa lý thường được ứng dụng nhiều nhất là oxy hĩa và trung hịa. Nĩi chung, bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hĩa lý là áp dụng các quá trình vật lý và hĩa học để loại bớt các chất ơ nhiễm mà khơng thể dùng quá trình lắng ra khỏi nước thải.
1. Phương pháp keo tụ
Keo tụ là quá trình kết hợp các chất lơ lửng khi cho các hợp chất cao phân tử vào nước. Khác với quá trình đơng tụ, khi keo tụ thì sự kết hợp diễn ra khơng chỉ do tiếp xúc trực tiếp mà cịn do tương tác lẫn nhau giữa các hạt phân tử chất keo tụ bị hấp phụ trên các hạt lơ lửng.
Sự keo tụ được tiến hành nhằm thúc đẩy quá trình tạo bơng Hydroxit nhơm và sắt với mục đích tăng vận tốc lắng của chúng.
Chất keo tụ thường dùng cĩ thể là hợp chất tự nhiên và tổng hợp. Chất keo tụ tự nhiên là: tinh bột, este, xenlulose, dectrin (C6H10O5)n; chất keo vơ cơ là: Dioxit Silic đã hoạt hĩa (xSiO2.yH2O); chất keo tụ hữu cơ tổng hợp: (- CH2 – CH – CO – NH2 - ), Polyacryamit kỹ thuật (PAA), PAA hoạt hĩa.
2. Phương pháp tuyển nổi
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhằm loại bỏ các tạp chất khơng tan và khĩ lắng hoặc cĩ thể dùng để tách các chất tan như chất hoạt động bề mặt.
Tuyển nổi được áp dụng để xử lý nước thải của nhiều ngành sản xuất như: chế biến dầu mỏ, sợi nhân tạo, giấy, giày da, hĩa chất, thực phẩm,…
3. Phương pháp hấp phụ
Phương pháp này được sử dụng để làm sạch nước thải khỏi các chất hữu cơ hịa tan sau xử lý sinh học nếu nồng độ các chất này khơng cao và khơng bị phân hủy bởi các vi sinh vật hoặc chúng rất độc. Ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả cao 80 - 90%, cĩ khả năng xử lý nhiều chất trong nước thải.
Chất hấp phụ thường được sử dụng là: than hoạt tính, các chất tổng hợp và chất thải của vài ngành sản xuất (tro, xỉ, mạt cưa), chất hấp phụ vơ cơ (đất sét, silicagen, keo nhơm) và các chất hyddroxit kim loại (ít được sử dụng vì năng lượng tương tác của chúng với các phân tử nước lớn).