Bahan kimia yang terdapat dalam air akan menentukan sifat air, baik dalam tingkat keracunan maupun bahaya yang ditimbulkan. Semakin besar konsentrasi bahan pencemar dalam air semakin terbatas penggunaan air. Karakteristik kimia terdiri dari kimia anorganik dan kimia organik. Secara umum sifat air ini dipengaruhi oleh kedua macam kandungan bahan kimia tersebut.

1. Keasaman Air

Keasaman air diukur dengan pH meter. Keasaman ditetapkan berdasarkan tinggi rendahnya konsentrasi ion hidrogen dalam air. Air buangan yang mempunyai pH tinggi atau rendah menjadikan air steril dan sebagai akibatnya membunuh mikroorganisme air yang diperlukan. Demikian juga makhluk lain, misalnya ikan tidak dapat hidup. Air yang mempunyai pH rendah membuat air menjadi korosif terhadap bahan konstruksi seperti besi.

Buangan yang bersifat alkalis (basa) bersumber dari buangan mengandung bahan anorganik seperti senyawa karbonat, bikarbonat dan hidroksida. Buangan asam berasal dari bahan kimia yang bersifat asam, misalnya buangan mengandung asam khlorida, asam sulfat dan lain-lain.

2. Alkalinitas

Tinggi rendahnya alkalinitas air ditentukan senyawa karbonat, bikarbonat, garam hidroksida, kalium, magnesium dan natrium dalam air. Semakin tinggi kesadahan suatu air semakin sulit air membuih. Penggunaan air untuk ketel selalu diupayakan air yang mempunyai kesadahan rendah karena zat tersebut dalam konsentrasi tinggi menimbulkan terjadinya kerak pada dinding dalam ketel maupun pada pipa pendingin.

Oleh sebab itu untuk menurunkan kesadahan air dilakukan pelunakan air. Pengukuran alkalinitas air adalah pengukuran kandungan ion CaCO3, ion Ca, ion Mg, bikarbonat, karbonat dan lain-lain.

3. Besi dan Mangan

Besi dan mangan yang teroksida dalam air berwarna kecoklatan dan tidak larut, menyebabkan penggunaan air menjadi terbatas. Air tidak dapat dipergunakan untuk keperluan rumah tangga dan industri. Kedua macam bahan ini berasal dari larutan batu-batuan yang mengandung senyawa Fe atau Mn seperti pyrit, kematit, mangan dan lain-lain.

Dalam limbah industri, besi berasal dari korosi pipa-pipa air, material logam sebagai hasil reaksi elektro kimia yang terjadi pada permukaan. Air yang mengandung padatan larut mempunyai sifat mengantarkan listrik dan ini mempercepat terjadinya korosi.

4. Chlorida

Chlorida banyak dijumpai dalam pabrik industri kaustik soda. Bahan ini berasal dari proses elektrolisa, penjernihan garam dan lain-lain. Chlorida merupakan zat terlarut dan tidak menyerap. Sebagai Chlor bebas berfungsi desinfektans, tapi dalam bentuk ion yang bersenyawa dengan ion natrium menyebabkan air menjadi asin dan merusak pipa-pipa instalasi.

5. Phosphat

Kandungan phosphat yang tinggi menyebabkan suburnya algae dan organisme lainnya. Phosphat kebanyakan berasal dari bahan pembersih yang mengandung senyawa phosphat. Dalam industri kegunaan phosphat terdapat pada ketel uap untuk mencegah kesadahan. Maka pada saat penggantian air ketel, buangan ketel ini menjadi sumber phosphat.

Pengukuran kandungan phosphat dalam air limbah berfungsi untuk mencegah tingginya kadar phosphat sehingga tidak merangsang pertumbuhan tumbuh-tumbuhan dalam air. Sebab pertumbuhan subur akan menghalangi kelancaran arus air. Pada danau suburnya tumbuh-tumbuhan air akan mengakibatkan berkurangnya oksigen terlarut dan kesuburan tanaman lainnya.

6. Sulfur

Sulfat dalam jumlah besar akan menaikkan keasaman air. Ion sulfat dapat terjadi secara proses alamiah. Sulfur dioxida dibutuhkan pada sintesa. Pada industri kaustik soda ion sulfat terdapat sewaktu pemurnian garam. Ion sulfat oleh bakteri direduksi menjadi sulfida pada kondisi anaerob dan selanjutnya sulfida diubah menjadi hidrogen sulfida.

Dalam suasana aerob hidrogen sulfida teroksidasi secara bakteriologis menjadi sulfat. Dalam bentuk H2S bersifat racun dan berbau busuk. Pada proses digester lumpur gas H2S yang bercampur dengan metan CH4 dan CO2 akan bersifat korosif. H2S akan menghitamkan air dan lumpur yang bila terikat dengan senyawa besi membentuk Fe2 S.

bakteri
2S + O2 + H2O --> S2O3 + 2H+ . SO4 + 2C + 2H2O
2HS + 2O2 ---> S2O3 + H2O . 1 HCO3 + H2S.
H2S + 2O2 ---> H2SO4.

7. Nitrogen

Nitrogen dalam air limbah pada umumnya terdapat dalam bentuk organik dan oleh bakteri berubah menjadi amonia. Dalam kondisi aerobik dan dalam waktu tertentu bakteri dapat mengoksidasi amonia menjadi nitrit dan nitrat. Nitrat dapat digunakan oleh algae dan tumbuh-tumbuhan lain untuk membentuk protein tanaman dan oleh hewan untuk membentuk protein hewan. Perusakan protein tanaman dan hewan oleh bakteri menghasilkan amonia.

Nitrit menunjukkan jumlah zat nitrogen yang teroksidasi. Nitrit merupakan hasil reaksi dan menjadi amoniak atau dioksidasi menjadi nitrit. Kehadiran nitrogen ini sering sekali dijumpai sebagai nitrogen nitrit.

8. Logam Berat dan Beracun

Logam berat pada umumnya seperti cuprum (tembaga), perak, seng, cadmium, air raksa, timah, chromium, besi dan nikel. Metal lain yang juga termasuk metal berat adalah arsen, selenium, cobalt, mangan dan aluminium.

Cadmium ditemukan dalam buangan industri tekstil, elektro plating, pabrik kimia. Chromium dijumpai dalam 2 bentuk yaitu chrom valensi enam dan chrom valensi tiga. Chrom valensi enam ditemukan pada buangan pabrik aluminium dan cat, sedang chrom trivalen ditemukan pada pabrik tekstil, industri gelas dan keramik.

Plumbum terdapat dalam buangan pabrik baterai, pencelupan dolt cat. Logam ini dalam konsentrasi tertentu membahayakan bagi manusia.

9. Fenol

Istilah fenol dalam air limbah tidak hanya terbatas pada fenol (C6H5 - OH) tapi bermacam-macam campuran organik yang terdiri dari satu atau lebih gugusan hidroxil. Fenol yang dengan konsentrasi 0,005/liter dalam air minum menciptakan rasa dan bau apabila bereaksi dengan chlor membentuk chlorophenol.

Sumber fenol terdapat pada industri pengolahan minyak, batubara, pabrik kimia, pabrik resin, pabrik kertas, tekstil.

10. Biochemical Oxigen Demand (BOD)

Dalam air buangan terdapat zat organik yang terdiri, dari unsur karbon, hidrogen dan oksigen dengan unsur tambahan yang lain seperti nitrogen, belerang dan lain-lain yang cenderung menyerap oksigen. Oksigen tersebut dipergunakan untuk menguraikan senyawa organik. Pada akhirnya kadar oksigen dalam air buangan menjadi keruh dan kemungkinan berbau.

Pengukuran terhadap nilai Biochemical Oxigen Demand (BOD) adalah kebutuhan oksigen yang terlarut dalam air buangan yang dipergunakan untuk menguraikan senyawa organik dengan bantuan mikroorganisme pada kondisi tertentu. Pada umumnya proses penguraian terjadi secara baik yaitu pada temperatur 20°C dan waktu 5 hari. Oleh karena itu satuannya biasanya dinyatakan dalam mg per liter atau kg.

11. Chemical Oxigen Demand (COD)

Bentuk lain untuk mengukur kebutuhan oksigen ini adalah COD. Pengukuran ini diperlukan untuk mengukur kebutuhan oksigen terhadap zat organik yang sukar dihancurkan secara oksidasi. Oleh karena itu dibutuhkan bantuan pereaksi oksidator yang kuat dalam suasana asam. Nilai BOD selalu lebih kecil daripada nilai COD diukur pada senyawa organik yang dapat diuraikan maupun senyawa organik yang tidak dapat berurai.

12. Lemak dan Minyak

Lemak dan minyak ditemukan mengapung di atas permukaan air meskipun sebagian terdapat di bawah permukaan air. Lemak dan minyak merupakan senyawa ester dari turunan alkohol yang tersusun dari unsur karbon, hidrogen dan oksigen. Lemak sukar diuraikan bakteri tapi dapat dihidrolisa oleh alkali sehingga membentuk senyawa sabun yang mudah larut.

Minyak pelumas yang berasal dari minyak bumi dipakai dalam pabrik dan terbawa air cucian ketika dibersihkan. Sebagai alat pencuci Bering Pula digunakan minyak pelarut. Adanya minyak dan lemak di atas permukaan air merintangi proses biologi dalam air sehingga tidak terjadi fotosintesa.

13. Karbohidrat dan Protein

Karbohidrat dalam air buangan diperoleh dalam bentuk sellulosa, kanji, tepung dextrim yang terdiri dari senyawa karbon, hidrogen dan oksigen, baik terlarut maupun tidak larut.

Pada protein yang berasal dari bulu binatang seperti sutra dengan unsur persenyawaan yang cukup kompleks mengandung unsur nitrogen. Baik protein maupun karbohidrat mudah rusak oleh mikroorganisme dan bakteri.

14. Zat Warna dan Surfaktan

Timbulnya zat warna dan surfaktan dalam air buangan adalah karena adanya senyawa organik yang larut dalam air. Zat aktif permukaan ini (surfaktan) sangat sukar berurai oleh aktivitas mikroorganisme.

Demikian juga zat warna yang merupakan senyawa aromatik sukar berurai. Di antara zat warna ini ada yang mengandung logam berat seperti chrom atau tembaga.