Phơng pháp hóa học dựa trên các phản ứng hóa học diễn ra giữa chất trong nớc thải với hóa chất đa vào. Các loại phản ứng xảy ra: phản ứng oxi hóa, trung hòa, đông keo tụ. Thông thờng các quá trình keo tụ thờng kèm quá trình trung hòa hoặc các hiện tợng vật lí khác. Các phơng pháp hóa lý để xử lý nớc thải dựa trên cơ sở ứng dụng các quá trình keo tụ, hấp thụ, hấp phụ, trích ly, bay hơi, tuyển nổi, trao đổi ion...
Trung hòa: nớc thải thờng có những gía trị pH khác nhau. Muốn nớc thải đợc xử lý tốt bằng phơng pháp sinh học phải tiến hành trung hòa, điều chỉnh pH về vùng thích hợp. Trung hòa bằng cách dùng các dung dịch axit hoặc muối axit, các dung dịch kiềm hoặc oxit kiềm để trung hòa nớc thải.
Keo tụ: trong quá trình lắng cơ học chỉ tách đợc các chất rắn huyền phù có kích thớc lớn hơn 10-2 mm, còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng đợc. Sử dụng chất keo tụ và chất trợ keo tụ để liên kết chất bẩn ở dạng lơ lửng thành bông keo có kích thớc lớn hơn và tách ra khỏi nớc dễ dàng. Nhờ quá trình này n- ớc đợc làm trong và khử màu. Các chất keo tụ thờng dùng trong mục đích này là các muối sắt hoặc muối nhôm hoặc hỗn hợp của chúng.
Tuyển nổi: phơng pháp này dựa trên nguyên tắc: các phần tử phân tán trong nớc có khả năng tự lắng kém, nhng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lên trên bề mặt nớc. Sau đó tách các bọt khí cùng các phân tử dính ra khỏi nớc. Quá trình này đợc thực hiện nhờ thổi không khí thành bọt nhỏ vào trong n- ớc thải. Các bọt khí dính các hạt lơ lửng lắng kém và nổi lên mặt nớc. Khi nổi lên các bọt khí tập hợp thành bông hạt đủ lớn, rồi tập hợp thành một lớp bọt chứa nhiều các hạt bẩn.
Hấp thụ và hấp phụ: Tách chất bẩn và khí hòa tan bằng cách liên kết các chất đó lên bề mặt chất rắn (hấp phụ). Các chất hấp phụ là những chất có hoạt tính bề mặt nh bentonit, than hoạt tính, nhựa hấp phụ,...
Trích ly: Sử dụng các dung môi không tan trong nớc có độ hòa tan chất bẩn lớn hơn độ hòa tan chất bẩn của nớc. Sau đó tách dung môi và chất bẩn ra khỏi nớc, cất thu hồi dung môi để loại chất bẩn.
Cô chân không: Đa nớc vào hệ thống cô để bay hơi, sau đó nớc tách ra d- ới dạng ngng tụ và đợc quay vòng lại sản xuất. Các chất khô còn lại đợc đa vào hệ thống sấy khô, sử dụng nh là các chất bổ sung vào thức ăn chăn nuôi.
Đốt để thu hồi các hóa chất: Thờng đợc sử dụng ở các nhà máy sản xuất bột giấy nấu sunphat. Dịch kiềm đen có chứa Na2S, NaOH và các chất hữu cơ đ- ợc đa vào lò hơi đốt cùng với than hoặc dầu để tạo ra năng lợng. Chất tro có chứa NaOH đợc tái sử dụng trong sản xuất.
Tách thẩm tích: Chất bẩn đợc tách ra bằng cách phân ly thẩm tích qua màng bán thấm.
Trao đổi ion: Thu hồi các cation và anion bằng các chất trao đổi ion. Ph- ơng pháp này thờng sử dụng để tách các ion kim loại nặng ra khỏi nớc.