工業廢水在應用物理化學法進行處理或回收利用之前，一般均需先經過預處理，儘量去除廢水中的懸浮物、油類、有害氣體等雜質，或調整廢水的pH值，以便提高回收效率及減少損耗。常採用的物理化學法有以下幾種。
一、萃取(液-液)法
將不溶於水的溶劑投入汙水之中，使汙水中的溶質溶於溶劑中，然後利用溶劑與水的密度重差，將溶劑分離出來。再利用溶劑與溶質的沸點差，將溶質蒸餾回收，再生後的溶劑可循環使用。常採用的萃取設備有脈衝篩板塔、離心萃取機等。
二、吸附法
利用多孔性的固體物質，使汙水中的一種或多種物質被吸附在固體表面而去除的方法。常用的吸附劑有活性炭。此法可用於吸附汙水中的酚、汞、鉻、氰等有毒物質，且還有除色、脫臭等作用。吸附法目前多用於汙水的深度處理。吸附操作可分為靜態和動態兩種。靜態吸附，在汙水不流動的條件下進行的操作。動態吸附則是在汙水流動條件下進行的吸附操作。汙水處理中多採用動態吸附操作，常用的吸附設備有固定床、移動床和流動床三種方式。
三、離子交換法
用固體物質去除汙水中的某些物質，即利用離子交換劑的離子交換作用來置換汙水中的離子化物質。隨著離子交換樹脂的生產和使用技術的發展，近年來在回收和處理工業汙水的有毒物質方面，由於效果良好，操作方便而得到一定的應用。在汙水處理中使用的離子交換劑有無機離子交換劑和有機離子交換劑兩大類。採用離子交換法處理汙水時必須考慮樹脂的選擇性。樹脂對各種離子的交換能力是不同的。交換能力的大小主要取決於各種離子對該種樹脂親和力(又稱選擇性)的大小。目前離子交換法廣泛用於去除汙水中的雜質，例如去除(回收)汙水中的銅、鎳、鎘、鋅、汞、金、銀、鉑、磷酸、有機物和放射性物質等。
四、電滲析法
電滲析法是在離子交換技術基礎上發展起來的一項新技術。它與普通離子交換法不同，省去了用再生劑再生樹脂的過程，因此具有設備簡單、操作方便等優點。電滲析是在外加直流電場作用下，利用陰、陽離子交換膜對水中離子的選擇透過性，使一部分溶液中的離子遷移到另一部分溶液中去，以達到濃縮、純化、合成、分離的目的。另用於海水、苦鹹水除鹽，製取去離子水等。
五、反滲透
利用一種特殊的半滲透膜，在一定的壓力下，將水分子壓過去，而溶解於水中的汙染物質則被膜所截留，汙水被濃縮，而被壓透過膜的水就是處理過的水。目前該處理方法已用於海水淡化、含重金屬的廢水處理及汙水的深度處理等方面。製作半透膜的材料有醋酸纖維素、磺化聚苯醚等有機高分子物質。為降低操作壓力以節省設備和運轉費用，目前對於膜的材料和性能正在深入試驗研究。反滲透處理工藝流程由三部分組成：預處理、膜分離及後處理。
六、超過濾法
利用特殊半滲透膜的一種膜分離技術。以壓力為推動力，使水溶液中大分子物質與水分離，膜表面孔隙大小是主要控制因素。用於電泳塗漆廢液等工業廢水處理。