Mục đích của phương pháp này là chuyển các chất ô nhiễm độc hại trong nước thải thành các chất ít độc hơn và được loại ra khỏi nước thải. Quá trình này tiêu tốn một lượng lớn các tác nhân hóa học, do đó q trình oxy hóa hóa học chỉ được dùng trong những trường hợp khi các tạp chất gây ô nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách bằng những phương pháp khác. Thường oxy hoá bằng các chất sau:
Oxy hoá bằng clo
Clo và các chất có chứa clo hoạt tính là những chất oxy hố có thể lợi dụng để tách H2S, hyđrosunfit, phenol, xyanua ra khỏi nước thải.
Oxy hoá bằng hyđro peroxit
H2O2 là một chất lỏng khơng màu và có thể trộn lẫn với nước ở bất kỳ tỉ lệ nào. H2O2 là dùng để oxy hoá các nitrit, các anđehit, phenol, xyanua, các chất thải chứa lưu huỳnh và chất nhuộm mạnh.
Trong môi trường axit, H2O2 thể hiện rõ chức năng oxy hố cịn trong mơi trường kiềm là chức năng khử. Trong môi trường axit, H2O2 chuyển muối Fe2+
thành muối Fe3+, HNO2 thành HNO3 và SO32- thành SO42- . Oxy hố bằng oxy trong khơng khí
Được sử dụng để tách sắt ra khỏi nước cấp, cịn được sử dụng để oxy hố sunfua trong nước thải của các nhà máy giấy, chế biến dầu mỏ. Quá trình oxy hố hyđrosunfua thành sunfua lưu huỳnh diễn ra các giai đoạn thay đổi hoá trị của lưu huỳnh từ -2 đến +6. Khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng và mức độ oxy hoá sunfua và hđrosunfua tăng. Theo lý thuyết để oxy hoá 1g sunfua lưu huỳnh tiêu tốn 1g oxy
Ozon hoá
Oxy hoá bằng ozon cho phép đồng thời khử tạp chất nhiễm bẩn, khử màu, khử các vị lạ và mùi đối với nước.
Trong xử lý bằng ozon, các hợp chất hữu cơ bị phân huỷ và xảy ra sự khử trùng đối với nước. Các vi khuẩn chết nhanh hơn so với xử lý bằng clo vài nghìn lần.
Độ tan của ozon trong nước phụ thuộc vào pH và hàm lượng của chất hồ tan. Một hàm lượng khơng lớn axit và muối sẽ làm tăng độ hoà tan của ozon và ngược lại sự có mặt của kiềm sẽ làm giảm độ hoà tan của ozon.