一、 常规处理
饮用水的常规处理是将水中的悬浮物去除，而使水澄清和消毒。如果选用符合饮用水水质标准的地下水源，则处理十分简单，只需消毒即可供应居民使用；由于地表水源含有的杂质较多，处理工艺过程较为复杂。
1、絮凝
地表水源的杂质，包括黏土和胶体微粒，以及细菌、病毒、寄生虫卵等致病微生物，大部分是以悬浮颗粒形式存在，并且使水发浑。其中大于1微米（um，即千分之一毫米）的颗粒称为悬浮颗粒，当水静止时可以沉淀下来；尺寸在1纳米（nm，等于千分之一微米）到1微米之间的颗粒称为胶体颗粒，因尺寸太小，受布朗运动影响，胶体颗粒自身很困难自然沉淀。胶体颗粒表面一般带电，无机物胶体带正电，有机物胶体带负电。由于电的电的同性相斥作用，也由于带电胶体表面吸附了一层水分子，使得胶体颗粒很难聚集较大颗粒而沉淀。胶体的这种不易聚集沉淀现象称为胶体的稳定性。如果向水中投加絮凝剂，可以破坏胶体的稳定性，胶体颗粒可以凝聚成较大的絮体而沉淀，这就是絮凝的原理。
絮凝一般需要絮凝剂投加设备、药剂和水进行混合的设施、以及絮凝设施。混合设施要求搅动剧烈，快速均匀混合；絮凝设施搅动程度从人口到出口逐渐变慢，以防止絮体再次打碎，影响后续的沉淀。
2、沉淀与气浮
如果水中的杂质颗粒比重大于水，且有足够大的尺寸，当水流变缓或静止时，就会发生沉淀。沉淀是应用最多的水处理方法，可分为自由沉淀和拥挤沉淀。当水中杂质颗粒较少，沉淀时不相互干扰，此时的沉淀为自由沉淀；当水中杂质颗粒较多，沉淀时彼此相互拥挤干扰，此时的沉淀为拥挤沉淀。杂质颗粒的沉淀速度与其比重和粒径有关，比重较大，粒径越大，沉淀速度越大，所需的沉淀时间越短，沉淀池尺寸越小；反之沉淀速度越小，所需的沉淀时间越长，沉淀池尺寸越大。胶体颗粒的沉淀需要借助絮凝来完成。
沉淀效果与水流状态有关，水流越慢，扰动越小，沉淀效果较好。在相同的流速下，沉淀过水断面越小，水流越稳定，沉淀效果越好。
当杂质比重小于等于水时，就无法用沉淀将杂质去除，此时可以改用气浮方法。气浮是设法在水中形成微小的气泡，气泡吸附着杂质颗粒上浮到水面，澄清的水从下面流出。气浮时气泡越多、越均匀、越小，气浮效果越好。同样，投加少量絮凝剂，使胶体颗粒脱稳，可提高气浮效果。
沉淀或气浮效果还与沉淀深度有关，沉淀深度越大，沉淀时间就越长。同样的沉淀效果，较浅的沉淀池，其长度也较短，或者说，同样长的沉淀池，池身越浅，出水效果越好，此为“浅池原理”。根据“浅池原理”，人们发明了斜管或斜板沉淀池，即在沉淀池中设置倾斜的板或蜂窝管，既可缩小沉淀距离，又可有效防止水流的扰动，所以可大幅度提高沉淀效率，缩小沉淀池体积。
另外，澄清池是将混合、絮凝、分离等水处理过程综合在一个构筑物中完成的沉淀处理设施，具有工作效率高、出水水质稳定、占地面积少等特点。
3、过滤
沉淀或气浮都不能使水中杂质达到饮用水标准，所以大多数净水厂还需要设置过滤设施。过滤设施可以是池子（适用处理水量较大的场合），也可是钢制罐子（适用于处理水量较小的情况），其内部装有滤料，水从滤料中流过时，杂质被滤料截留。过滤之所以能够净化水质，主要有以下几个方面的机理：
1）机械截留。滤料的颗粒很小，其内部空隙尺度也很小，大于滤料空隙的杂质不能通过而被去除。
2）吸附。滤料有着巨大的表面积，其物理化学性吸附能力很强，较小的杂质可以被吸附在滤料表面而被去除。这就是为什么很多远远小于滤料空隙的杂质也能够被去除的道理。投加絮凝剂可以大幅度提高滤料的吸附能力，所以吸附需要絮凝剂来帮助。
过滤速度指每平方米滤料水量的多杀，单位与速度相仿，为m/h（米/时）。过滤速度较大时，意味着单位面积的滤池产水量越大，但是此时滤料的截污能力越小，出水水质有可能变差。过滤速度越小，所需要的滤池越大，投资越多，此时滤料的截污能力强，出水水质好。对于不同的原水水质和出水要求，应选用不同的过滤速度。一般以去除浊度为主的过滤，其滤速不大于10m/h。当滤速明显减小或出水水质不到要求时，就应停止过滤，进行反冲洗后再进行过滤。
4）消毒
消毒是使水中致病微生物失去活性，以防止引发介水传染疾病。常用消毒方法有氯消毒法、臭氧消毒法、紫外线消毒法。
1）氯消毒
氯消毒法是利用含氯消毒剂对水中微生物进行灭活的方法，是使用最多，最普遍的饮用水消毒方法。常用的含氯消毒剂有液氯、二氧化氯、次氯酸钠、次氯酸钙（漂白粉）等。氯化消毒法的原理是：含氯消毒剂加入水中后，水解形成的次氯酸（HOC1）体积微小，电荷为中性，具有较强的渗入细胞壁的能力。而次氯酸是强氧化剂，使蛋白质、核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）等物质释出，并能使细菌细胞中的磷酸丙糖去氢酶中的巯基被氧化而破坏，而这种酶对吸收葡萄糖有重要作用，这种酶的破坏即可引起细菌的糖代谢发生障碍而死亡。
氯消毒法的效果受pH和水温影响，水的pH值低则消毒效果好，水温度则杀菌能力强。水中的悬浮物能消耗部分有效氯。因此，浑浊的水须先经混凝沉淀、过滤等净化过程，然后再加氯消毒。加氯量必须超过水的需氯量，使在氧化和杀菌后还能剩余一些有效氯（称为剩余氯）。如果水中有氨存在，加氯后产生氯胺。氯胺的消毒作用比较缓慢，可以用于保持持续消毒能力。
二氧化氯是一种黄绿色或橙色的气体，是自然界中几乎完全以单体游离原子团存在的极少数化合物之一。二氧化氯中C1原子具有很强的氧化性，氧化单位是1.84V，比液氯的氧化单位高出0.37V，氧化性是液氯的2.6倍。一般来讲，细菌的表面带负电，而二氧化氯在水中几乎100%以单分子型体存在，不带电荷，所以很容易吸附在细菌的表面，不受pH的影响，不需要载体蛋白运输。进入细胞后可以氧化酶以及损伤细胞或抑制蛋白质的合成等方式杀菌。因此细菌对二氧化氯没有抗药性。
一般认为二氧化氯可以吸附和穿过病毒的衣壳蛋白，与其中的RNA反应，破坏基因合成RNA的能力，并在病毒表面聚集了高浓度的二氧化氯分子，可以大大加强对病毒的灭活效果。因而病毒对二氧化氯也没有抗药性。
2）紫外线消毒
当水中的各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病源体受到一定剂量的紫外线辐射后，其细胞组织中的DNA结构受到破坏，从而在不使用任何化学药物的情况下杀灭水中细菌和病毒，达到了大流量水的消毒和净化的目的。
紫外光通过破坏病毒、细菌和其他微生物的遗传物质DNA，使其失去活性无法复制再生从而达到消毒的目的。紫外线光是电磁波频谱的一部分，波长在100~400nm之间，杀菌波长范围主要介于200~300nm之间。紫外消毒系统的消毒效果和紫外线剂量有关，去紫外光强、曝光时间成正比。紫外线消毒并不是杀死微生物，而是去掉其繁殖能力进行灭活。紫外线消毒是一种物理消毒方法，不需要使用任何化学物质。因此也不会产生化学残余物质和化学副产物。
紫外线消毒无二次污染，对环境、生态和人类无害，使用安全，无需储存、运输及使用任何有毒、腐蚀性化学物品，消毒成本低运行维护简单、方便、安全。与化学消毒相比、紫外消毒性能稳定，不受环境条件（如温度和水中酸碱度）变化的影响。
3）臭氧消毒
臭氧（O3）是一种具有特殊气味的无色气体，由一个氧分子携带一个氧原子[O]组成，具有很高的氧化电位（2.076V）和很强的氧化能力。臭氧溶解在水里，自行分解成羟基自由基，间接地氧化有机物、微生物，从而达到杀菌消毒的效果。
臭氧对细菌的灭活反应总是进行得很迅速。与其他杀菌剂不同的是：臭氧能与细菌细胞壁脂类双键反应，穿入菌体内部，作用于蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导致细菌死亡。臭氧还作用于细胞内的核物质，如核酸中的嘌呤和嘧啶破坏DNA。
臭氧对病毒的作用首先是病毒的衣体壳蛋白的4条多肽链，并使RNA受到损伤，特别是形成它的蛋白质。噬菌体被臭氧氧化后，电镜观察可见其表皮被破碎成许多碎片，从中释放出许多核糖核酸，干扰其吸附到寄存体上。
臭氧是自然界中最有效的氧化剂之一，也是用于工业加工、水和空气处理的理想物质。它能和污染物迅速发生反应、脱色和除臭，同时杀死微生物。由于其分解产物为氧气，较其他处理方法（如氯消毒、吸附、反渗透等）更环保、经济、国际卫生组织对其灭菌功效曾进行了归纳比较，认为臭氧与其他性质杀菌剂对大肠杆菌的次灭效果依次为：臭氧>次氯酸>二氧化氯>银离子>次氯酸根>高铁酸盐>氯胺。
二、 深度处理
当今，水源普遍受到污染，同时人们对饮用水水质的要求越来越高，深度处理将成为以地表水为水源的自来水厂所必备的处理设施，深度处理将越来越常规化。饮用水深度处理的目的是进一步去除经常规处理后所残存的微量有机污染物，特别是人工合成有机物、腐殖质等，使水的品质更好，更加有利于健康。深度处理方法有活性炭吸附、臭氧活性炭、膜分离等处理方法。
1、活性炭吸附
活性炭（AC）是利用植物类原料（木屑、果壳）或优质煤为原料，经过炭化、活化而制成的一种多孔、比表面积巨大、具有极强吸附能力的颗粒状或粉沫状吸附剂。在活化过程中，活性炭可形成新的微孔或将原有封闭的微孔打通，扩大原有微孔尺寸，并在其表面形成酸性或碱性氧化复合体，使之具有良好的吸附能力。活性炭具有物理吸附和化学吸附的双重特性，可以有选择的吸附气相、液相中的各种物质，以达到脱色精制、消毒除臭和去污提纯等目的。
在饮用水处理方面，活性炭可以有效吸附水中腐殖质、有机物、重金属及其他有毒物质，使处理后水的色度、味、耗氧量等指标大幅度降低，水的口感更好。更重要的是活性炭可以有效降低能够产生“三致”作用的有机卤化物的前提物质，使饮用水更加安全。
饮用水深度处理中活性炭的应用一般采用过滤的方式，业内称之为“炭滤”，以区别于砂滤。炭滤池与砂滤池构造基本相同，只是滤料改为活性炭，运行参数也有所变化。
单纯使用活性炭吸附，只是将被吸附物质聚集、浓缩在活性炭中，而没有被分解，所以经过一定时间的吸附后，活性炭会饱和失效。失效的活性炭可以再生，但再生所需的设备复杂，造作繁琐，费用昂贵，这些都限制了活性炭吸附技术的应用。
2、臭氧活性炭
为克服单纯活性炭吸附的缺点，水处理工作者开发出臭氧活性炭工艺。即向炭滤池中加入臭氧，臭氧是从所周知的强氧化剂，可以氧化分解吸附在活性炭上面的有机物，使活性炭长期保持活性，从而避免或减少了活性炭频繁地再生次数。
4、膜分离
砂滤只能将大部分细菌、寄生虫、胶体颗粒去除，对于小于1um（微米）的颗粒，或以分子状态存在于水中的有害物质无能为力。要想进一步提高水质，可以采用膜分离技术。
膜广泛存在于物体内，是两相分离的手段和物质选择性传递的屏障。膜具有选择透过性，才和一些小分子物质可以通过，大分子物质则不能通过。膜分离的驱动力可以是压力差、电位差、温度差，或者浓度差，其中在水处理中应用最多的是压力驱动。按膜的孔径来分，有微滤（MF）膜、超滤（UF）膜、钠滤（NF）膜和反渗透（RO）膜。微滤膜孔径0.03~10um，可以去除0.01~10um的悬浮物、纤维和细菌，压力差0.01~0.2Mpa；超滤膜可分离胶体、分子量1000~300000的生化制品和大分子有机物；钠滤膜可分离某些二价无机盐、糖和染料，被分离物质分子量在200~1000；反渗透膜可以去除几乎所有的水中杂质，是制造纯净水的关键设备。
三、 预处理
对于已经受到污染的水源，或泥砂含量变化较大的水源，可以在常规处理之前采用预处理的方法，以减轻后续处理工艺的负担，提高出水水质。
1、生物氧化
在不得不使用轻度污染的水为饮用水水源时，生物氧化的预处理就显得十分必要。轻度污染的水主要特征是含有一定数量的有机物和氨氮，常规处理无法有效去除。如果只采用深度处理，例如活性炭吸附，活性炭会很快因吸附饱和而失效。另外，没有预处理，水中的有机物会使砂滤池中的滤料粘结，干扰常规处理效果。生物氧化预处理可以有效而低成本的去除有机物和氨氮，保障常规处理和后续深度处理的正常运行，是水质保障措施的重要环节。
生活氧化一般采用接触氧化方法，是从污水处理工艺中借鉴而来的。在接触氧化池中设置填料，并进行鼓风供氧，填料表面长有一层生物膜，原水中的有机物、氨氮在与生物膜接触的过程中被微生物氧化分解。填料的要求是生物稳定性好、易挂膜、比表面积达的材料，可以采用塑料丝制成的弹性填料、生物陶粒、沸石等。如果填料采用活性炭，也可称为生物炭（BAC）工艺。与污水处理接触氧化工艺不同的是，给水预处理的接触氧化其填料的有机物负荷非常低，填料上的生物膜生长十分缓慢，生物膜很薄，全部处于好氧状态。好氧状态的生物膜处理降解有机物、氨氮以外，还可以吸附原水中的藻类、悬浮物、胶体等，使出水的浊度明显降低。
生物氧化对水温十分敏感，水温高，生物活性高，处理效果好，所以生物氧化预处理在南方城市应用较多。但是，根据我国学者的研究，当水温在0~3℃时，适当降低生物氧化负荷，加大曝气量，也可以取得较好的处理效果，这证明生物氧化预处理也可以在北方城市应用。
2、化学氧化
化学氧化预处理技术是依靠化学氧化剂的氧化能力，达到分解或转化水中污染物的目的。常用的化学氧化剂有氯气、臭氧和高锰酸钾等。
当原水中藻类或有机物含量较高时，容易干扰常规处理工艺的絮凝过程，影响沉淀效果，可使滤料生长黏泥，冲洗困难，影响过滤正常运行。如果在进入絮凝沉淀以前，向水中投加化学氧化剂，可杀死或抑制微生物生长，保障常规处理系统正常运行。采用氯气预氧化的副作用是导致有机卤化物的增加，需要增加深度处理设施保障饮用水的安全性。高锰酸钾氧化法工艺简单投资少，在中性pH条件下处理效果较好。同时可降低混凝剂用量，但其投加量不易控制，过量投加会增加水的色度。臭氧的氧化能力强，预氧化效果好，副作用小，但是其设备昂贵，工艺复杂，目前应用不多。
3、预沉淀
当原水含砂量较大时，进行预沉淀是十分必要的。例如，在黄河取水，含砂量一般在每立方米十几公斤，甚至数百公斤。如此高含砂量的原水如果直接进入常规处理系统，会导致系统的瘫痪，必须设置预沉淀。
预沉淀处理对象为高浓度的悬浮物，一般不向水中投加絮凝剂，即采用自然沉淀法，其沉淀现象属于拥挤沉淀。预沉淀池设计方法与普通沉淀池基本相同，但要考虑高浓度悬浮物的影响，要有较可靠、连续的排泥设施，通常采用副流式沉淀池。也可以利用自然洼地、河道修筑大型天然预沉池，水里停留时间可达数天或数十天，采用吸泥船清泥。
4、粉末活性炭吸附
对微污染原水，也可以采用粉末活性炭吸附的方法。即向原水中投加粉末状的活性炭，以吸附原水中的有机污染物。粉末活性炭比颗粒活性炭具有更大的吸附能力，价格更便宜，无需专门的处理构筑物，不产生二次污染，处理效果好。粉末活性炭投加在絮凝沉淀之前，大部分可在沉淀中被去除，不影响后续处理。另外，黏土特别是改性黏土，也是较好的吸附材料。
四、 特殊处理
如果原水中含有超量的铁、锰、氟、硫酸盐等物质，或硬度超过国家标准时，就需要进行特殊处理。
1、除铁除锰
三价的铁和锰溶解度极小，二价的铁和锰的溶解度远大于三价的铁和锰，所以水中的铁和锰一般指二价的铁和锰。二价的铁和锰在有氧条件下迅速氧化为三价的铁和锰，所以铁和锰超标主要出现在地下水中。地下水中铁和锰含量过高，与空气接触后二价的铁和锰氧化为三价的铁和锰，并形成溶解度极低的氢氧化物，使水变浑、发红发黑，影响水的感观，长期使用还会使用水器具着色，影响美观。二价的铁和锰会引起细菌孳生，导致传染病传播。
向水中鼓入空气，或投加二氧化氯、臭氧等氧化剂，二价铁、锰可以氧化为三价铁、锰，再经过滤，可以将超量的铁、锰去除。如果滤料采用锰砂，锰砂对三价铁、锰有吸附作用，效果会更好一些。也有采用生物氧化法去除铁、锰，其原理和设施与前面介绍过生物氧化预处理基本相同。
另外，由于铁和锰的化学性质相近，所以在含铁地下水中也常含有锰。铁的氧化还原电位比锰低，二价铁对于高价（三价和四价）锰便成为还原剂，因此二价铁的存在大大妨碍二价锰的氧化。只有在水中二价铁的存在大大妨碍二价锰的氧化。故在地下水铁和锰共存时，应先除铁后除锰。当地下水含铁量很低时（<2mg/L），有可能经过一次曝气（充氧）和一次过滤便可将铁和锰同时去除。
2、除氟除砷
1）除氟
氟是人体必需的微量元素，过高或过低都不利健康。我国很多地区地下水中氟含量较高，高氟区地下水含氟量低者在2~4mg/L左右，高者可达30mg/L以上，远远超出国家饮用水卫生标准的规定，必须采取降氟措施。目前国内饮用水除氟工艺应用较多的主要有活性氧化铝吸附法（以下简称“吸附法”）、膜分离和絮凝沉淀法。
活性氧化铝可以吸附水中的氟离子，吸附池构造与普通滤池基本相同。吸附法具有出水水质好，剩余氟离子浓度低，设备投资省，占地面积小等诸多优点。但是吸附法工艺工程复杂，需要将原水pH值调整到7以下，出水再将pH值调整回到中性。活性氧化铝使用一段时间后失去活性，需要用碱液再生。工艺过程中的废碱需要进行无害化处理后方可排放。
膜分离法可以采用电渗析或反渗透工艺。该工艺操作简单，设备占地面积小，在去除氟离子的同时还可以降低硬度、硫酸盐等其他离子和细菌，出水水质好，是目前生产直饮水的核心工艺。但是膜分离工艺运行电耗高，设备价格昂贵，因而限制了该工艺在处理水量较大时的应用。
絮凝沉淀法是向待处理的水中投加铝盐絮凝剂，在水中形成氢氧化铝胶体吸附氟离子，氟离子随着氢氧化铝胶体的沉淀被去除。该工艺对环境影响小，但设施或设备投资大。
2）除砷
水中的砷有多种形态，有无机态和有机态之分，有五价和三价之别，三价的砷毒性大于五价砷。我国西藏、浙江、台湾等地区存在地下水砷超量现象，水中砷含量0.08~0.5mg/L。国家规定饮用水中砷的含量不大于0.05 mg/L，饮用水超量的砷可导致砷中毒。砷的去除方法与除氟基本相同，如果原水pH值大于7，将絮凝沉淀法中药剂改为铁盐，可以获得较好的去除效果。
3）软化
原水的硬度分为暂时硬度和永久硬度。当原水硬度过高时需要进行软化处理。软化处理方法有药剂（如石灰）软化发、离子交换法和膜分离法。
对于暂时硬度过高的水可以用石灰软化法，就是向水中投加石灰，水中钙离子浓度增加，由于碳酸钙的浓度积是不变的，钙离子增加导致碳酸根离子的减少，从而使水的暂时硬度降低。
采用离子交换法去除了水中的钙镁离子，可以同时降低永久硬度，得到高质量的软化水。但饮用水硬度过低对人体健康不利，且离子交换法不适用于处理水量大的场合。
膜分离法主要是反渗透法，可以去除多种离子，出水水质较好，但设备投资、运行成本都较高，大规模处理难以承受。
4、去除硫酸盐
在高硬度地下水中，硫酸盐也较高，硫酸盐高可导致人腹泻。硫酸盐的去除远比上述的铁、锰、氟、砷困难，目前还为引起水处理工作者的重视，也没有成功的工程实例。从原理上讲，去除硫酸盐可以采用离子交换法和膜分离法。通常，阴离子交换树脂对硫酸根有较高的吸附性，可以利用这一点来去除水中硫酸盐，吸附饱和的树脂需要用碱液再生，操作十分繁琐。基于膜分离原理的反渗透法可以去除各种盐类，自然也可以有效的去除硫酸盐，只是投资、运行成本较高。
