天然水的自净是水在自然界循环过程自行消除污染的一种能力。进入水体的污染物，通过一系列的物理、化学、生物以及生化变化，污染物逐步被净化，使水体恢复或部分恢复到正常状态，这就是水的自净过程。这种作用就是天然水的自净作用。天然水的自净途径和过程可以分以下几个方面。
（一）物理净化过程
主要指污染物在水中经过稀释、混合、挥发、沉淀等过程，使其浓度降低。尽管污染总量在水中并不能明显减少，但由于其浓度降低，单位容积的含量减少，就可减少其危害性，增加其利用的可能性。
1.稀释和混合 稀释和混合是天然水最基本的自净作用。就污水排放进入河流而言，估价其危害程度主要是考虑排放量经河水稀释混合后，有害物质含量能否达到卫生标准限量值以下。稀释和混合是制定污水排放标准首先必须考虑的问题，在排放口往往是不均匀的，达不到完全一致。因此，必须流经一定距离后，才能达到稀释混合基本一致的程度。
2.挥发 挥发在天然水自净过程中不占主要地位。挥发与水温和曝气情况有关。水中有害物质。如氰化物、硫化氢金额酚以及某些挥发性有机物，可以部分挥发进入大气。
3.沉淀 沉淀是天然水自净的一种有效方法。水中悬浮物在静止和缓流的水体中，可自行下沉，从而减少了水中大量的非溶解性物质，使水质澄清。除流速之外，温度、pH、盐类浓度以及水生生物的活动等，都能影响沉淀速度。
物理自净过程对改善水质性状有一定益处，但不能根除污染物，而且这种作用往往是有限的。
（二）化学和物理化学净化过程
1.吸附作用 是指水体中污染物的离子或分子被吸附于悬浮的胶体颗粒上，借沉淀作用去除。天然水中有多种胶体悬浮物，如硅、铝、铁等氧化物或氢氧化物，和复杂的粘土矿物（如膨润土和高岭土等），以及以腐殖质为主的有机胶体。这些胶体有很大的表面积和表面能，可以吸附各种阳离子或阴离子化合物，对无机污染物的净化与转移有重要作用。
2.酸碱反应 天然水的氢离子浓度变化，如果水体收到工业废水污染，一般pH波动在4.0~9.0之间，pH值也可能＜3.0或＞10.0。pH值的高低，对污染物在水中转移有很大的影响。在弱酸性水中，磷、铜、锌和三价铬等容易随水迁移；在碱性水中，砷、六价铬、钼和碘等易随水迁移。因此，水的pH值变化可影响污染物的溶解或沉淀，因而促进或减弱污染物在天然水体中的迁移。
3.氧化还原反应 当水中存在多种变价元素时，氧化还原反应就会不间断地进行。水中的氧化还原反应可分为无机和有机两大系统，并可呈现混合性系统。由于这一系统的存在，使水中污染物在化学性质上，特别是溶解度、稳定性、挥发性和扩散能力方面发生很大变化。它可以加速其分解，从而促进了水的自净过程，但也可延缓某些污染物的转化和转移。
（三）生物净化过程
生物净化过程在天然水的自净中是最重要的过程。有机污染物进入水体后，细菌和其他微生物利用水中溶解氧对有机物进行氧化降解，水中消耗的氧由空气以及水中绿色植物的光合作用来补充。如水中有机物含量不超过水体的自净能力，水中溶解氧始终保持一定水平，则水体自净可以顺利进行。在有氧条件下水中有机物的分解产物主要是水、二氧化碳、硝酸盐、硫酸盐等，水体可以恢复正常状态。如进入水中的有机物很多，可促进细菌和其他微生物大量繁殖。当水中有机物分解剧烈，溶解氧迅速消耗而不能及时得到补充，致使水中溶解氧逐步下降。当水中溶解氧降低到一定限度以下，或接近耗尽时，水体将成为缺氧或无氧环境。在这种条件下，兼氧和厌氧菌大量繁殖，有机物的分解将转为厌氧分解，水体中的需氧生物将难以生存，有机物厌氧分解的产物主要是氨、硫化氢、甲烷等，水体就难以恢复到正常状态。
水体的生物自净作用受到许多因素的影响，如水流、水深、地形与地质、气候、温度、日照、生物种类、水的化学成分和pH值等。一般说江河水有一定的流速，对稀释、混合与生物净化作用方面比较好，但沉淀作用比较差。湖水和水库水，由于水流缓慢，混合较差，水表层可能处于需氧分解状态，深层则因缺氧可能处于厌氧分解状态。特别是底层，有机物大量沉积更易造成厌氧分解条件。地下水由于流速很慢，停留时间长，不接触空气与阳光，其生物自净能力要比地面水低得多。污染地面水在渗透过程，土壤的过滤与吸附，以及地表层微生物的分解作用，可使水质得到改善。
水体自净过程具有以下特征：①污染物浓度逐渐下降；②一些有毒污染物可经各种物理、化学和生物作用，转变为低毒或无毒物质；③重金属污染物以溶解态被吸收或转变为不溶性化合物，沉淀后进入底泥；④部分复杂有机物被微生物利用和分解，变成二氧化碳和水；⑤不稳定污染物转变成稳定的化合物；⑥自净过程初期，水中溶解氧量急剧下降，到达最低点后有缓慢上升，逐渐恢复正常水平；⑦随着自净过程的进行及有毒物质浓度或数量的下降，生物种类和个体数量逐渐随之回升，最终趋于正常的生物分布。
总之，水体的自净是个复杂的过程，也是天然水保持其正常状态的一种能力。而这种自净作用是有条件的，其能力是有一定限度的，随着环境污染的治理，水体的污染亦将逐步减轻或消除。