利用物化现象或化学反应，分离回收采出水中的污染物质(包括悬浮的、溶解的、胶体的等)。主要方法有氧化、萃取、吸附、石灰软化、离子交换等。
氧化法是通过强氧化剂氧化溶解态污染物以助于分离，增加初级处理中溶解物质的沉淀效果，此方法操作简单，对溶解态污染物初级处理效果好，但氧化剂需要现场制备，分离产生沉淀、CO2等副产物，且泥浆中产生固体沉淀。
萃取是通过轻烃溶剂提取游离或溶解态油类，该工艺无耗能，操作简单，可去除溶解态油类。但使用溶剂提取，需要溶剂再生，并产生溶剂再生 废水，适合处理含低浓度或痕量油脂时，除油率效果优于膜技术。
吸附是利用多孔介质吸附进水中污染物质，工艺紧凑填充床模块，价廉，效果好，但高进水浓度时，停留时间长，去除效率低，并产生废弃的吸附剂，再生废水。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
石灰软化是向原水中加入石灰去除碳酸盐、碳酸氢盐等硬度，价廉易得，可以改性，但需要化学添加剂和后处理措施，产生废弃的含化学沉淀废水。此工艺典型特点是较膜技术能耗低，预处理简单。采出水TDS在10000～1000mg/L之间。但处理前需要对水中油脂进行处理。
离子交换是通过离子交换器去除溶解态盐类和矿物质，耗能低，树脂可连续再生，效果好，可非固定运行，但需要预处理和后处理，效率高，产生浓缩废水，需要再生化学剂。