Una vez que el agua residual sale del tratamiento secundario suele quedar como un agua clara y limpia, pero con un elevado contenido de productos de tipo iónico o molecular en disolución. Las operaciones aplicables a la reducción de concentración de los compuestos solubles se engloban en el tratamiento terciario y sólo se utilizan cuando es estrictamente necesario, debido a su coste relativamente elevado.
La adsorción es un fenómeno superficial mediante el cual ciertos productos de gran superficie (adsorbentes) retienen a otras sustancias (adsorbatos) en disolución o dispersión coloidal. Generalmente se utilizan tierras arcillosas o carbón activo para eliminar los productos causantes, principalmente, de coloración y mal olor. El adsorbente ha de ser regenerado
El intercambio iónico es un proceso en el que se produce un cambio de iones entre los presentes en el agua a tratar y los existentes en una fase sólida finamente dividida, denominada "cambiador", que casi siempre es una resina orgánica sintética. Su principal aplicación es la reducción de la salinidad del agua residual, lo que se consigue intercambiando los aniones contenidos en el agua por iones OH- y los cationes por H+. Las resinas han de ser generadas, las catiónicas con un ácido fuerte y las aniónicas, con una base fuerte.
La ósmosis inversa es el fenómeno por el cual se produce el paso de disolvente desde una disolución concentrada a otra más diluida, separadas por un cierto tipo de membrana semipermeable. Este proceso sólo puede producirse artificialmente, aplicando presión a la disolución concentrada; la membrana permite el paso del agua y no del soluto,lo que hace que este proceso sea aplicable para separar las sales contenidas en las aguas residuales.