اکسیداسیون شیمیایی به واکنش‌هایی می‌گویند که در طی آنها یک یا چند الکترون از ماده شیمیایی 
مورد نظر به ماده دیگر که اکسید کننده نامیده می‌شود منتقل می‌شوند. به عبارتی دیگر زمانی که الکترون‌ها از یک یون، اتم یا مولکول حذف شوند، ماده اکسید شده و هنگامی که الکترون‌ها به یک یون، اتم یا مولکول افزوده شوند ماده احیا می‌گردد. واکنش‌های اکسیداسیون و احیا نقش بسزایی در مهندسی محیط زیست دارند.
وقتی که اکسیداسیون شیمیایی صورت میپذیرد، اکسیداسیون کامل ترکیب مورد نظر یا گروهی از ترکیبات ممکن است مهم و ضروری نباشد. در بیشتر موارد، اکسیداسیون جزیی برای ترکیبات ساده‌تر و قابل تجزیه‌تر برای تصفیه بیولوژیکی بعدی یا کاهش سمیت آن کافی می‌باشد.
فرایندهای اکسیداسیون شیمیایی به دو گروه تقسیم می‌شوند:
1. فرآیندهای اکسیداسیون شیمیایی کلاسیک.
2. فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته(AOP).
اکسیداسیون شیمیایی کلاسیک در تصفیه فاضلاب صنعتی
معمولا تصفیه‌های شیمیایی کلاسیک شامل افزودن عامل اکسیدکننده به آب حاوی آلودگی برای اکسید کردن آن می‌باشد. اکسیداسیون شیمیایی به طور وسیع در تصفیه مواد آلی خطرناک مورد استفاده قرار گرفته است. امروزه با استفاده از تکنولوژی می‌توان با پایش پارامترهای فرآیند به طور موثر و بی‌خطر فرآیند اکسیداسیون را در مقیاس پروژه‌های بزرگ به کار گرفت. این امر عمدتا به دلیل سهولت دسترسی و مسائل اقتصادی است. لذا بطور مختصر به شرح عملکرد عوامل اکسیدکننده مورد استفاده در تصفیه آب و فاضلاب اشاره می‌شود.
اکسیداسیون با کلر
از کلر می‌توان به عنوان یک اکسیدکننده شیمیایی خوب نام برد و باعث نابودی میکروارگانیسم‌ها می‌شود. کلر به صورت عنصر و یا به صورت هیپوکلریت عامل اکسیدکننده بسیار قوی می‌باشد و می‌توان آن را به طور کارآمد در اکسیداسیون سیانید استفاده کرد.
اکسیداسیون با پرمنگنات پتاسیم
پرمنگنات پتاسیم به صورت کریستال‌ها و یا گرانول‌های بنفش تیره با جلای فلزی می‌باشد و در صورتی که بصورت خشک در تماس با اسید سولفوریک غلیظ یا پراکسید هیدروژن قرار گیرد، باعث انفجار می‌شود. از این اکسید کننده جهت حذف برخی از ترکیبات آلی استفاده می‌شود. عمدتا در حذف آلدئید‌ها، مرکاپتان‌ها، فنل و اسیدهای غیر اشباع به کار برده می‌شود. در بحث مواد زائد خطرناک عمده‌ترین کاربری آن مربوط به حذف ترکیبات فنلی است.
در طی واکنش، حلقه آروماتیک شکسته می‌شود و مولکول با وضیعت خطی ایجاد می‌شود. ترکیبات آلیفاتیک بیشتر اکسید شده و آب و دی اکسیدکربن بوجود می‌آید. سرعت واکنش سریع بوده و بستگی زیادی به pH محیط دارند. PHهای بالاتر از 5/9 مناسب هستند. استفاده از پرمنگنات به دلیل هزینه زیاد مواد مورد نیاز و سمیت آن برای آبزیان در مقیاس بزرگ گسترش پیدا نکرده است.
یک عیب دیگر استفاده از پرمنگنات پتاسیم به عنوان اکسید کننده تشکیل دی اکسید منگنز می‌باشد که رسوب نموده و بایستی با زلال‌سازی یا فیلتراسیون از سیستم خارج گردد.
اکسیداسیون با پراکسید هیدروژن در سیستم تصفیه فاضلاب صنعتی
پراکسید هیدروژن یک آمیختگی اکسید کننده بسیار نیرومند است است که به صورت تاثیر گذار و در اندازه بزرگ به منظور اکسیداسیون با پراکسید هیدروژن، ترکیباتی مانند فنل‌ها، سیانیدها، ترکیبات گوگردی و یون‌های فلزی مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد. ترکیب تجاری آن در آب محلول، بی رنگ و با درصد نابی70-30 درصد است. این ترکیب اکسیدکننده قوی در طول تجزیه، اکسیژن و گرمای زیادی به وجود می‌آورد. اندازه ناچیزی از بعضی فلزات می‌تواند نقش ویژه‌ای به عنوان اسانگر در پروسه‌های اکسیداسیون با پراکسید هیدروژن بازی کنند. این اکسید کننده یک ماده به نسبه بی خطر بوده و در تصفیه مقادیر زیادی از مواد آلی و معدنی استفاده شده است .به اضافه بالا رفتن پراکسید هیدروژن توانایی این را دارد که به شکل موثر حلقه بنزنی را در طیف وسیعی از درجه حرارت و ستبری اکسید کند. این پروسه بهph. خیلی حساس بوده و دامنه pH بهینه در حدود4-3 در حال تغییر است.پراکسید هیدروژن در درگاه یک کاتالیست مانند آهن، باعث به وجود امدن رادیکال هیدروکسیل شده که با مواد آلی ادغام شده و شکل آنها را در هم می‌شکند. مزیت مهم آن کم بها بودن بودن، قدرت اکسیدکنندگی زیاد، آسانی در جابجایی، حلالیت در آب و همچنین نبود تولید محصولات جانبی سمی و رنگی است.
اکسیداسیون با ازن
ازن در بیشتر بهره‌وری‌هایش مثل حذف رنگ، ضدعفونی کردن، حذف بو و طعم، حذف منیزیم و ترکیبات آلی مسمر ثمر می‌باشد و ازن یک محلول ناپایدار، دارای خاصیت اکسیدکنندگی بسیار زیاده ک در مواقع دما و فشار استاندارد، دارای حلالیت کم در آب بوده و بی‌دوام است.
مقدار حلالیت ازن در آب بر طبق وزنی تقریبا 10 برابر زیادتر از حلالیت اکسیژن در آب است.ازن در تصفیه پساب‌های صنعتی به جهت اکسیدکردن ترکیبات آلی به مواد با سمیت کمتر، مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد .توان ازن درعمل اکسید کردن دو برابر قدرت پراکسید هیدروژن است. مقصود در تصفیه پساب‌های شامل ترکیبات فنلی، اکسیدکردن این ترکیبات به مواد آلی میانجی می‌باشد. هرچند سمی هستند ولی کاملا از لحاظ زیستی توان جداسازی دارند باشند.
پروسه اکسیداسیون پیشرفته(AOP) در پکیج تصفیه فاضلاب صنعتی
عمدتا اکسیداسیون پیشرفته حاویه تولید و کاربرد رادیکال آزاد هیدروکسیل ۲۸ به نشان یک اکسید کننده قوی به جهت ویران کردن ترکیباتی است که با اکسید کننده‌های رایج مانند اکسیژن، ازن و کلر تماما اکسید نمی‌شوند. رادیکال هیدروکسیل با ترکیبات محلول ریاکشن بروز می‌دهد و باعث آغاز واکنش‌های اکسیداسیون پیشرفته می‌شود تا زمانی که ترکیب مورد نظر تماما از بین رود.
پروسه تصفیه به وسیله اکسیداسیون پیشرفته به نشان روش‌های معقول برای از بین بردن آلودگی‌های منابع آب زیرزمینی، سطحی و فاضلابهای صنعتی شامل الودگی‌های آلی غیر قابل جداسازی زیستی به احتساب می‌آیند. رادیکال‌های هیدروکسیل به شکل شگفت انگیزی قابلیت پذیرش واکنش را دارند که به بیشتر ترکیبات آلی یورش می‌برند. قالبا سینتیک واکنش با در نظر گرفتن غلظت رادیکال‌های هیدروکسیل و غلظت آلودگی از درجه اول پیروی می‌کند و ثابت‌های سرعت عمدتا در دایره ۱۰۸ تا ۱۰۱۱ لیتر بر مول بر ثانیه هستند. آن سان که غلظت رادیکال ۱۰- ۱۰ مول بر لیتر باشد، ثابت سرعت واکنش شبه درجه اول بین یک تا ۴ - ۱۰ تا ۱۲ - هیدروکسیل بر ثانیه اخذ می‌شود
در حال حاضر، تکنولوژی‌های گوناگونی در فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته برای تولید رادیکال هیدروکسیل موجود است. این پروسه‌ها را بر پایه فرآیندهایی بر اساس پرتو فرابنفش، فرآیندهای بر اساس پراکسیدهیدروژن و یا فرآیندهایی بر اساس ازن در منابع و متون گوناگون طبقه‌بندی می‌شود.