Notekūdeņu attīrīšana attiecas uz procesu, kurā no notekūdeņiem tiek noņemti mikroorganismi un cita veida piesārņotāji. Attīstītās valstīs lielākā daļa sadzīves atkritumu tiek savākti kanalizācijas sistēmā un pa cauruļvadiem nosūtīti uz centrālo notekūdeņu attīrīšanas iekārtu. Šajās iekārtās notekūdeņu attīrīšana tiek veikta daudzpakāpju procesā, kas pakāpeniski atdala vai maina dažāda veida materiālus, lai galaprodukts jeb notekūdeņi būtu droši atgriezti vidē.
Visas dzīvesvietas, uzņēmumi, slimnīcas un citas iestādes, kas izmanto ūdeni, rada notekūdeņus notekūdeņu veidā. Notekūdeņi ir kopējais termins ūdenim, kas izplūst no tualetēm, izlietnēm, dušām un šķidrajiem rūpnieciskajiem atkritumiem. Tipisks notekūdeņu attīrīšanas process ietver priekšapstrādi, kā arī primārās, sekundārās un terciārās attīrīšanas posmus.
Priekšapstrāde ietver lielu priekšmetu izņemšanu no notekūdeņiem, lai izvairītos no iekārtu aizsērēšanas vai bojājumiem turpmākajā attīrīšanas procesā. Tādus priekšmetus kā nūjas, lupatas, sieviešu higiēnas preces un pat augļus noņem mehāniskā sijāšanas procesā un pēc tam parasti sadedzina vai nosūta uz poligonu. Smiltīm un akmeņiem, ko kopā dēvē par smiltīm, ir atļauts nosēsties turēšanas tvertnē, kur tās tiek iesūktas ierīcē, kas tos savāc, un pēc tam tās arī tiek nosūtītas uz poligonu.
Primārā apstrāde darbojas pēc tāda paša principa kā pirmapstrāde un skrīnings. Tās galvenais mērķis ir ļaut daļiņām nogulsnēties turēšanas tvertnēs, veidojot “dūņas”, kuras savāc un pārstrādā citur. Šajā posmā tiek atdalītas arī tauki un eļļas, jo tās ir vieglākas par ūdeni un uzpeldēs uz augšu, lai tās nosmeltu. Tas ļauj notekūdeņus pēc šī posma apstrādāt kopumā, jo tie ir viendabīgāki.
Sekundārās notekūdeņu attīrīšanas mērķis ir sadalīt bioloģiskās vielas, kas atrodas notekūdeņos no tādiem avotiem kā cilvēku atkritumi un mazgāšanas līdzekļi. Tas tiek paveikts ar rūpīgām dažādām saistītām metodēm, kurās visas izmanto baktērijas un citus noderīgus mikroorganismus, lai sadalītu izšķīdušos bioloģiskos piesārņotājus. Šie organismi arī palīdz citiem savienojumiem un materiāliem izgulsnēties no notekūdeņiem.
Lai vēl vairāk uzlabotu notekūdeņu kvalitāti pirms to novadīšanas, daudzas attīrīšanas iekārtas izmanto terciāro attīrīšanu. Šo posmu veido turpmāka filtrēšana un slāpekļa un fosfora atdalīšana. Terciārā apstrāde bieži ietver dezinfekciju, īpaši attīstītajās valstīs. To parasti panāk, vai nu hlorējot, vai apstrādājot ūdeni ar ozonu vai ultravioleto gaismu, kam ir ietekme uz kaitīgo baktēriju un citu organismu likvidēšanu, pirms ūdens tiek atgriezts vidē pa upi, okeānu vai citu ceļu.