化学处理法是通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状态的污染物或将其转化为无害物质的废水处理法。以投加药剂产生化学反应为基础的处理单元有混凝、中和、氧化还原等；以传质作用为基础的处理单元有萃取、汽提、吹脱、吸附、离子交换以及电渗吸和反渗透等。化学处理法，特别是化学沉淀法，早在废水处理发展的初期就开始应用。它比自然沉淀法能迅速而有效地去除废水中的悬浮物，有代表性的去除悬浮物的效率达90%以上,去除BOD（生化需氧量）的效率可达85%。这种处理方法的缺点是化学药剂比较昂贵，处理后产生大量难以脱水的污泥，因而它的发展一度受到限制。近年来由于用途广泛的许多种化学处理药剂和设备相继问世，价格逐渐降低，因而化学处理法在废水处理中的应用日益广泛，现今已渐与生物处理法并驾齐驱。
化学处理还可作为生物处理后的三级处理措施，如以折点氯化法或碱化吹脱法去除氨氮，以化学沉淀法除磷，以臭氧、二氧化氯、高锰酸钾等氧化法去除难以生物降解的有机污染物（见污水三级处理）。
化学处理法还能有效地去除废水中的多种剧毒和高毒污染物，如用中和沉淀和硫化物沉淀法、电解法、离子浮选法、化学吸附法、溶剂萃取法去除或回收汞、镉、铜、锌、铬等重金属，用化学氧化法破坏氰化物和酚等。用强氧化剂的化学氧化法能分解难以生物降解的合成洗涤剂(ABS),并能分解带发色基团的化合物而去除其色度。中和法广泛应用于处理酸性和碱性废水。
与生物处理法相比，化学处理法能迅速、有效地去除种类更多的污染物，特别是生物处理法不能奏效的一些污染物。化学处理设备容易操作，也容易实现自动检测和控制；一些有毒有害的污染物能作为有用的资源回收利用。化学处理系统能实现一些工业用水的闭路循环。在水和其他资源日渐短缺的现状下，废水化学处理法将获得更大的发展。
臭氧化处理法：
废水臭氧化处理法是用臭氧作氧化剂对废水进行净化和消毒处理的方法。用此法处理废水所使用的是含低浓度臭氧的空气或氧气。臭氧是一种极不稳定、易分解的强氧化剂，需现场制造，工艺设施主要由臭氧发生器和气水接触设备组成。
这种方法主要用于：水的消毒，去除水中酚、氰等污染物质，水的脱色，水中铁、锰等金属离子的去除，异味和臭味的去除等。主要优点是反应迅速、流程简单、无二次污染。在环境保护和化工等方面广泛应用。
电解处理法：
废水电解处理法废水电解处理法是应用电解的基本原理，使废水中有害物质通过电解转化成为无害物质以实现净化的方法。废水电解处理包括电极表面电化学作用、间接氧化和间接还原、电浮选和电絮凝等过程，分别以不同的作用去除废水中的污染物。
以含氰废水为例，在阳极表面的电化学氧化过程为：CN-+2OH-梍2e→CNO-+H2O2CNO-+4OH梍→2CO2↑+N2↑+2H2O
其主要优点：①使用低压直流电源，不必大量耗费化学药剂；②在常温常压下操作，管理简便；③如废水中污染物浓度发生变化，可以通过调整电压和电流的方法，保证出水水质稳定；④处理装置占地面积不大。但在处理大量废水时电耗和电极金属的消耗量较大，分离的沉淀物不易处理利用，主要用于含铬废水和含氰废水的处理。
化学沉淀处理法：
废水化学沉淀处理法是通过向废水中投加可溶性化学药剂，使之与其中呈离子状态的无机污染物起化学反应，生成不溶于或难溶于水的化合物沉淀析出，从而使废水净化的方法。投入废水中的化学药剂称为沉淀剂，常用的有石灰、硫化物和钡盐等。
根据沉淀剂的不同，可分为：①氢氧化物沉淀法，即中和沉淀法，是从废水中除去重金属有效而经济的方法；②硫化物沉淀法，能更有效地处理含金属废水，特别是经氢氧化物沉淀法处理仍不能达到排放标准的含汞、含镉废水；③钡盐沉淀法，常用于电镀含铬废水的处理。化学沉淀法是一种传统的水处理方法，广泛用于水质处理中的软化过程，也常用于工业废水处理，以去除重金属和氰化物。
混凝处理法：
废水混凝处理法是通过向废水中投加混凝剂，使其中的胶粒物质发生凝聚和絮凝而分离出来，以净化废水的方法。混凝系凝聚作用与絮凝作用的合称。前者系因投加电解质，使胶粒电动电势降低或消除，以致胶体颗粒失去稳定性，脱稳胶粒相互聚结而产生；后者系由高分子物质吸附搭桥，使胶体颗粒相互聚结而产生。混凝剂可归纳为两类；①无机盐类，有铝盐（硫酸铝、硫酸铝钾、铝酸钾等）、铁盐（三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铁等）和碳酸镁等；②高分子物质，有聚合氯化铝，聚丙烯酰胺等。处理时，向废水中加入混凝剂，消除或降低水中胶体颗粒间的相互排斥力，使水中胶体颗粒易于相互碰撞和附聚搭接而形成较大颗粒或絮凝体，进而从水中分离出来。影响混凝效果的因素有：水温、pH值、浊度、硬度及混凝剂的投放量等。
氧化处理法：
废水氧化处理法是利用强氧化剂氧化分解废水中污染物，以净化废水的方法。强氧化剂能将废水中的有机物逐步降解成为简单的无机物，也能把溶解于水中的污染物氧化为不溶于水、而易于从水中分离出来的物质。
常用氧化剂：①氯类，有气态氯、液态氯、次氯酸钠、次氯酸钙、二氧化氯等；②氧类，有空气中的氧、臭氧、过氧化氢、高锰酸钾等。氧化剂的选择应考虑：对废水中特定的污染物有良好的氧化作用，反应后的生成物应是无害的或易于从废水中分离，价格便宜，来源方便，常温下反应速度较快，反应时不需要大幅度调节pH值等。氧化处理法几乎可处理一切工业废水，特别适用于处理废水中难以被生物降解的有机物，如绝大部分农药和杀虫剂，酚、氰化物，以及引起色度、臭味的物质等。
废水中和处理法:废水中和处理法是利用中和作用处理废水，使之净化的方法。其基本原理是，使酸性废水中的H+与外加OH-，或使碱性废水中的OH-与外加的H+相互作用，生成弱解离的水分子，同时生成可溶解或难溶解的其他盐类，从而消除它们的有害作用。反应服从当量定律。采用此法可以处理并回收利用酸性废水和碱性废水，可以调节酸性或碱性废水的pH值
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