污水经过筛滤、沉沙、沉淀等一级处理（预处理），虽然已去除部分悬浮物和30%左右的生化需氧量（BOD），但一般不能去除污水中呈溶解状态的和呈胶体状态的有机物和氧化物、硫化物等有毒物质，不能达到污水排放标准，需要进行二级处理。污水二级处理中，污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质（即生化需氧量、化学需氧量物质）去除率可达90%以上，可使污水中的有机污染物达到国家或地方规定的污水排放标准。

污水二级处理中，相当长时间以来，把生物法处理作为污水二级处理的主体工艺，因此，在城市污水处理中，二级处理通常作为生物处理的同义语使用。生物法处理系统一般由生物反应器和二次沉淀池组成，主要借助微生物的分解作用把污水中有机物转化为简单的无机物，使污水得到净化。按对氧气的需求情况，污水二级生物法处理可分为厌氧生物处理和好氧生物处理两大类。厌氧生物处理是利用厌氧微生物把有机物转化为有机酸，甲烷菌再把有机酸分解为甲烷、二氧化碳和氢等，如厌氧塘法、厌氧生物反应器等；好氧生物处理是采用机械曝气或自然曝气（如藻类光合作用产氧等）为污水中好氧微生物提供活动能源，促进好氧微生物的分解活动，使污水得到净化，如活性污泥法、生物滤池法、生物转盘法、氧化塘法。

污水二级处理中，化学法是在污水中投加化学药剂（如凝聚剂和助凝剂），经混合、絮凝、沉淀可去除污水中的生化需氧量、悬浮固体、总磷等。不同化学药剂和投加量，可得到不同的污染物去除效率。

化学法或生物法处理过程中产生的污泥，需另行处理与处置。污水二级处理后，出水水质一般能符合国家规定的二级排放标准。对污水二级处理工艺的选择，应经过技术和经济性比选后确定。中国采用的二级处理工艺大多数为活性污泥法和生物膜法。

污水二级处理对保护环境起到了一定作用。随着污水量的不断增加，水资源的日益紧张，需要获取更高质量的处理水，以供重复使用或补充水源。为此，有时要在二级处理基础上，再进行污水三级处理。