Los tipos de tratamiento de aguas residuales se eligen teniendo en cuenta los objetivos que se fijen al remover los contaminantes. Existe una gran variedad de formas de operar, dependiendo de las características del agua y de la carga orgánica a tratar.

Hay diferentes sistemas de tratamiento que implican procesos biológicos, procesos fisicoquímicos, y en ocasiones se presentan ambos. Cuando se emplean métodos biológicos, estos se subdividen en aerobios (crecimiento adherido) y anaerobios (crecimiento suspendido). El metabolismo bacteriano consiste en la utilización de bacterias de la materia orgánica como fuente de energía y carbono para generar nueva biomasa.

Dada la clasificación por tipo de crecimiento, los sistemas de tratamiento son nombrados de acuerdo al principio de operación (lodos activados, zanjas de oxidación, lagunas anaerobias, película fija, filtros percoladores, entre otros).

Los sistemas aeróbicos (en presencia de oxigeno) se basan en un proceso de oxidación biológica mediante el cual los microorganismos degradan la materia orgánica contaminante en el agua residual. Los microorganismos ingieren esta materia contaminante reproduciéndose rápidamente, generando un cultivo microbiano que seguirá actuando sobre el agua residual.

Este tipo de tratamiento requiere un gasto de energía importante para asegurar que las bacterias tengan los niveles adecuados de oxigenación a pesar de las altas cargas orgánicas. Lo anterior causa que los costos de operación de estas plantas sean mayores en comparación con el tratamiento que requiere un sistema anaerobio.

En los sistemas anaeróbicos pueden intervenir diferentes tipos de microorganismos pero está dirigido principalmente por bacterias.  Los organismos catabolizan y asimilan sus alimentos en ausencia de oxigeno. Esto se produce en pantanos, sedimentos de lagos y mares, zonas anóxicas del suelo y fuentes de aguas termales sulfurosas, entre otros. Como este tipo de tratamientos tienen la ventaja de no requerir aireación, la demanda de energía es mucho menor y no necesita mano de obra calificada.