Processos químicos de purificação de água podem ser usados em qualquer etapa primária: sedimentação, filtração, desinfecção.
Água subterrânea (poços, aquíferos) tem poucas ameaças orgânicas. Água superficial (rios, lagos, reservatórios) costuma ser tratada para reduzir algas. Sulfato de cobre é tratamento comum para conter florações de algas. Alume ou sulfato de potássio podem impedir contaminação excessiva de fonte superficial.
Coagulantes fazem impurezas aglomerarem. Sulfato férrico, polímeros e outros aditivos formam flocos de impurezas orgânicas e inorgânicas que aderem e afundam no fundo de tanques ou bacias. Aglomerados e gravidade removem materiais mais densos que água.
Filtros (tanques com camadas de carvão, cascalho, areia ou membranas que retêm partículas em angstroms) usam químicos para aumentar capacidade de captura. Eficácia medida pela menor partícula capturada. Químicos também lavam e desinfetam filtros para reuso, aumentando custo-efetividade e vida útil.
Etapa-chave para água potável segura: matar patógenos. Na maioria das estações dos EUA, cloro (gás difuso ou pó) é misturado à água bruta. A combinação de concentração do desinfetante e tempo de contato (CT) determina se a água foi desinfetada. Outros tratamentos: difusão de ozônio (O₃) para oxidar patógenos. Vantagem: ozônio se decompõe em oxigênio, sem resíduo.
Gás CO₂ ou calda de carbonato de cálcio ajustam pH (alcalinidade). Carvão ativado melhora sabor contrabalanceando algas. Fosfatos adicionados no final reduzem incrustação de cal em tubulações.