物理化学法是采用物理化学作用对废水进行处理的各种方法的统称，主要包括吸附法、萃取法和膜分离法等。
  吸附法是将多孔性固体与废水接触用物理吸附、化学吸附或交换吸附等方式，将污染物从废水吸附到吸附剂上，从而达到去除的目的。常见的吸附剂主要有活性炭、离子交换树脂、硅藻土、粉煤灰等。在对于染料废水的处理中，使染料废水通过由颗粒状物质（即吸附剂）组成的滤床，染料废水中的染料以及助剂等污染物被吸附在吸附剂表面而被去除。活性炭比表面积大，对于分子量不超过400 的染料分子的脱色效果明显。活性炭可通过加热等方式再生，但是再生难度大，运行费用高，且活性炭容易随废水流失，在废水处理过程中需要不断补充。可见，吸附效果很大程度上取决于吸附剂的结构性质以及污染物的结构性质。吸附法比较适合于低浓度染料废水的深度处理，主要优点是投资小，占地面积小，方法简便易行，吸附法还能够去除废水中难生物降解的污染物。
  萃取法主要是将与水不互溶，但是对污染物的溶解能力却较强的溶剂（即萃取剂），与废水充分混合，使大部分的污染物转移到溶剂相，再分离废水与溶剂，从而达到净化的效果主要是利用了有机物在水中和在有机溶剂中的溶解度差异，再将萃取剂与污染物分离，萃取剂可以循环利用，所得的污染物也可以经过进一步处理后变废为宝。但是萃取法比较适于小水量废水的处理，且对成分复杂的难处理染料废水，对萃取剂的要求也很高，费用也会随之大增。因此萃取法仅适用于少数几种有机废水的处理。由于萃取剂总会在水中有一定的溶解度，难免会有少量的萃取剂流失，使处理后的水质难以达到排放标准。