Физические методы очистки воды основаны на процессах, при которых не происходят химические превращения и не добавляются реагенты. К таким методам относятся: отстаивание твердых частиц, фильтрация через пористые материалы, а также использование различных видов излучения, электрических и магнитных полей.

В природной воде обычно присутствуют механические примеси различных размеров — от мелкого песка и иловых частиц до окалин и гидроокисей тяжёлых металлов. Эти загрязнения ухудшают качество воды, могут вызывать сбои в работе оборудования и неприемлемы для использования в большинстве технологических процессов. Поэтому первоочередной задачей при очистке воды является её осветление — удаление взвешенных частиц. Это достигается методами отстаивания и фильтрации через сетки, насыпные фильтры и крупнопористые мембраны.

Фильтрация позволяет удалить более мелкие частицы. Суть процесса — пропускание загрязнённой воды через пористую среду, в которой задерживаются частицы, размеры которых превышают размер пор, а оставшийся фильтрат содержит более мелкие примеси.

Отстаивание
Крупные взвешенные частицы (макрочастицы) размером от нескольких микрон до 1 мм могут оседать самопроизвольно. Поэтому один из способов их удаления — отстаивание. Этот метод малоэффективен и в промышленности почти не применяется в чистом виде, но может использоваться в бытовых условиях при небольшой потребности в воде и высокой мутности.

Фильтрация через зернистые загрузки 

Для очистки больших объёмов воды от взвешенных веществ применяются механические фильтры с гранулированной засыпкой, как правило, из кварцевого песка, гидроантрацита и др. Эти фильтры работают периодически: загрязнённая вода проходит сверху вниз, и частицы задерживаются в порах загрузки. Загрязнения в основном накапливаются в верхнем слое.

Наибольшую эффективность показывают многослойные фильтры, в которых сверху размещают крупные лёгкие частицы, а внизу — мелкие и тяжёлые. Такое распределение позволяет задерживать загрязнения по всей глубине фильтра. Подбираются материалы так, чтобы их скорость псевдоожижения была примерно одинаковой. Такие фильтры эффективно задерживают частицы размером от 10 до 20 мкм.

Когда загрязнений становится слишком много, фильтр начинает хуже работать, и давление воды может вызвать прорыв слоя, что приведёт к попаданию загрязнений в очищенную воду. Тогда фильтр останавливают и проводят регенерацию загрузки.

Регенерация осуществляется путём обратной промывки водой снизу вверх, при которой слой расширяется и псевдоожижается, а частицы загрязнений удаляются.

Мембранные методы

С 60-х годов XX века развиваются методы фильтрации с применением мелкопористых мембран. Эти процессы включают:

- Макрофильтрация (МАФ): удаляет крупные частицы (1–100 мкм), проводится через металлические или полимерные сетки.

- Микрофильтрация (МФ): задерживает коллоидные примеси и бактерии (0,1–1 мкм), работает при давлениях 0,1–2 атм.

- Ультрафильтрация (УФ): извлекает из воды коллоидные частицы, микроорганизмы (бактерии и вирусы), крупные органические макромолекулы, определяющие цветность воды, имеющие размер 0,01-0,1 мкм и молекулярную массу более 1000. Рабочее давление от 0,7 до 7,0 атм. Степень концентрирования исходного раствора для ультрафильтрации лимитируется началом гелеобразования или концентрацией, при которой неприемлемо падает производительность из-за возрастания вязкости жидкости.

- Нанофильтрация (НФ): удаляет молекулы и многозарядные ионы, имеющие размер от 0,001 до 0,01 мкм, органические молекулы с молекулярной массой выше 300, и все вирусы. Рабочее давление от 7 до 16 атм.

- НФ способна удалять ионы с зарядом больше 1, а однозарядные пропускать - извлечение NaCI составляет менее 50%. Селективность по двухзарядным катионам и анионам высокая, например, при фильтрации раствора MgSO4 извлечение превышает 98-99%. Тяжелые металлы удаляются практически полностью

- Обратный осмос (ОО): обеспечивает удаление практически всех растворённых веществ, включая ионы и органику. Эффективность зависит от степени гидратации ионов. Рабочее давление — от 7 до 70 атм.