A definição simples de água residual é água que foi usada. Água residual também inclui água que tem poluentes que a afetaram adversamente, como produtos químicos tóxicos, ácidos, metais pesados e/ou resíduos corporais. Água residual pode ser categorizada em dois tipos: doméstica e industrial. Água residual doméstica industrial inclui esgoto.
Durante o tratamento primário, qualquer matéria sólida que está suspensa na água ou flutuando sobre ela é decantada para o fundo e removida. Primeiro a água residual passa por uma tela para coar matéria grande, depois passa por um processo menor onde material como areia é removido. Isso é chamado de remoção de areia. O próximo passo é um tanque de sedimentação ou clarificador onde sólidos suspensos são decantados. O lodo que se acumula no fundo do clarificador é bombeado para fora, e água é adicionada a ele para uso como fertilizante, despejado em aterro sanitário ou incinerado. Para matar bactérias, a água restante é normalmente tratada com cloro. Após o tratamento, o excesso de cloro é retirado. Remover cloro é necessário para que não mate peixes se for despejado em um lago ou rio. Algumas estações de tratamento usam luz ultravioleta ou ozônio como desinfetante.
Depois que a água passou pelo primeiro tratamento, ela está muito mais limpa, mas ainda não está nos padrões da Agência de Proteção Ambiental. Em seguida, ela precisa de tratamento biológico para reduzir seu conteúdo de DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio). Neste estágio, bactérias são introduzidas que comerão o material orgânico na água residual. Isso transforma o material orgânico em uma massa que pode ser decantada para o fundo do tanque de decantação ou como lodo que se agarra a superfícies sólidas ou vegetação. Este tipo de tratamento pode ocorrer em qualquer temperatura que economize energia. Muito oxigênio é necessário neste estágio para as bactérias fazerem seu trabalho, então mais espaço é necessário. O tratamento secundário é geralmente feito ao ar livre por estas razões.
Tratamento terciário também é chamado de tratamento avançado. Este tratamento eliminará as impurezas finais na água. A necessidade disto surgiu à medida que a ciência identificou mais elementos que eram prejudiciais na água. Estes incluem metais pesados e toxinas que não são facilmente removidos pelos outros dois tratamentos. Tecnologias usadas neste estágio incluem evaporação e destilação, microfiltração, adsorção de carbono e precipitação química. Isso também pode incluir descloração, desinfecção e troca iônica. Na troca iônica, os íons de magnésio, cálcio e carbonato são removidos e substituídos por íons de hidrogênio e hidroxila.
O tratamento usado para limpar água residual industrial dependerá do tipo de indústria e quais produtos químicos, metais pesados ou outros poluentes precisam ser removidos. A maioria das indústrias é encorajada a tratar e usar a mesma água repetidamente. Dessa forma, eles não a estão descartando em lagos e rios ou no sistema de esgoto. Em estações de tratamento industriais, poluentes sólidos são removidos com técnicas de decantação como no tratamento primário. Filtração pode ser usada para sólidos menores. Óleos podem ser removidos raspando-os do topo. Além disso, um separador óleo-água pode ser usado. Materiais orgânicos, como tinta, pesticidas e solventes, podem ser removidos com destilação, oxidação avançada, adsorção, incineração, vitrificação, descarte em aterro ou imobilização química. Material orgânico biodegradável geralmente pode ser removido com processos de lodo ou filtração. Ácidos e álcalis precisam ser neutralizados. Outros materiais tóxicos como metais (zinco e tálio, por exemplo) e elementos (arsênio ou selênio, por exemplo) podem ser transformados em precipitados mudando o pH ou adicionando certos produtos químicos. Eles também podem ser incinerados com oxidação avançada.