Die erste Station der Abwasserreinigung ist die Rechenanlage. Große Rechen oder Siebe entfernen grobe Verunreinigungen wie Hygieneartikel, Holzstücke, Textilien oder Küchenabfälle aus dem Abwasser.

Hier setzen sich Sand, Kies und Steine am Beckenboden ab. Leichtere Stoffe, wie Öle und Fette, sammeln sich an der Oberfläche und lassen sich dort entfernen.

Im Vorklärbecken wird die Strömung des Abwassers verlangsamt. Dadurch setzen sich weitere Stoffe als Schlamm am Boden ab.

Das mechanisch vorbehandelte Abwasser wird in die Belebungsbecken eingeleitet. Hier bauen Kleinstlebewesen (Mikroorganismen, vor allem Bakterien), die in großer Anzahl im „belebten Schlamm“ enthalten sind, die organischen Verunreinigungen ab. Da die Bakterien dafür Sauerstoff benötigen, wird Luft in die Becken eingeblasen. Neben den Kohlenstoff- werden auch Stickstoff- und Phosphorverbindungen abgebaut, die andernfalls die Gewässer überdüngen würden.

Um den Phosphatabbau zu verbessern, werden Eisensalze ins Belebungsbecken gegeben. Die Eisensalze binden die im Abwasser gelösten Phosphate. Es entstehen kleine Schlammflocken, die im Nachklärbecken entfernt werden. Dieser chemische Prozess hat große Bedeutung, um eine Überdüngung der  Gewässer, in die das gereinigte Abwasser eingeleitet wird, und ein schädliches Pflanzenwachstum zu verhindern.

Der mit Mikroorganismen angereicherte Schlamm setzt sich am Beckenboden ab. Ein Teil des Schlammes wird zurück in den Reinigungskreislauf geleitet, während der überschüssige Schlamm in die Faultürme gepumpt wird. Das gereinigte Wasser wird in einen Fluss oder Bach abgeleitet.

In großen Faulbehältern bauen Bakterien einen Teil des Klärschlamms ab. Nach diesem Behandlungsschritt ist der Klärschlamm nahezu geruchsfrei. Bei dem Abbau-Prozess entsteht unter anderem Methangas.

Aus dem gewonnenen Methangas wird im Blockheizkraftwerk Strom und Wärme erzeugt. Beides wird für den Betrieb der Kläranlage genutzt.

Der Klärschlamm besteht anfangs bis zu 98 % aus Wasser. In einem Absetzbehälter wird der Klärschlamm eingedickt.

In Zentrifugen, die ähnlich funktionieren wie die Schleuder einer Waschmaschine, wird der Klärschlamm maschinell entwässert. Auf manchen Kläranlagen werden auch Schlammpressen eingesetzt, die den Schlamm mit Druck entwässern.

Der entwässerte Klärschlamm wird energetisch verwertet, zum Beispiel durch eine thermische Behandlung (Mitverbrennung) in Kraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen.