重金屬化合物汙染的特點是因其某些化合物的生產與應用的廣泛，在局部地區可能出現高濃度汙染。另外，重金屬汙染物一般具有潛在危害性。它們與有機汙染物不同，水中的微生物難於使之分解消除（可稱為降解作用），經過“蝦吃浮遊生物，小魚吃蝦，大魚吃小魚”的水中食物鏈被富集，濃度逐級加大。而人正處於食物鏈的終端，通過食物或飲水，將有毒物攝入人體。若這些有毒物不易排泄，將會在人體內積蓄，引起慢性中毒。在生物體內的某些重金屬又可被微生物轉化為毒性更大的有機化合物（如無機汞可轉化為有機汞）。例如眾所周知的水俁病就是由所食魚中含有氯化甲基汞引起的，骨痛病則由鎘汙染引起的。這些震驚世界的公害事件都是工廠排放的汙水中含有這些重金屬所致。重金屬汙染物的毒害不僅與其攝入機體內的數量有關，而且與其存在形態有密切關係，不同形態的同種重金屬化合物其毒性可以有很大差異。如烷基汞的毒性明顯大於二價汞離子的無機鹽；砷的化合物中三氧化二砷（As2O3，砒霜）毒性最大；鋇鹽中的硫酸鋇（BaSO4）因其溶解度小而無毒性；BaCO4雖難溶於水，但能溶於胃酸（HCl），所以和氯化鋇（BaCl2）一樣有毒。
無機汙染物中的氰化物的毒性是很強的，氰化物以各種形式存在水中，人中毒後，會造成呼吸困難，全身細胞缺氧，導致窒息死亡。氰化物主要來自各種含氰化物的工業廢水，如電鍍廢水、煤氣廠廢水，煉焦煉油廠和有色金屬冶煉廠等的廢水。
有毒有機汙染物主要包括有機氯農藥、多氯聯苯、多環芳烴、高分子聚合物（塑料、人造纖維、合成橡膠）、染料等類有機化合物。它們的共同特點是大多數為難降解有機物，或持久性有機物。它們在水中的含量雖不高，但因在水體中殘留時間長，有蓄積性，可造成人體慢性中毒、致癌、致畸等生理危害。
隨著現代化石油化學工業的高速發展，產生了很多原來自然界沒有的、難分解的、有劇毒的有機化合物，這些化合物有合成洗滌劑、有機氯農藥等。例如對環境危害極大的有機氯農藥，其特點是毒性大，化學性質穩定，殘留時間長，且易溶於脂肪、蓄積性強而在水生生物體內富集，其濃度可達水中的數十萬倍，不僅影響水生生物的繁衍，且通過食物鏈危害人體健康。這類農藥國外早已禁用，我國從1983年開始也已停止生產和限製使用。
多氯聯苯（PCB）是聯苯分子中一部分或全部氫被氯取代後所形成的各種異構體混合物的總稱。PCB有劇毒，脂溶性強，易被生物吸收，且具有化學性質很穩定，不易燃燒，強酸、強堿、氧化劑都難以將其分解，耐熱性高，絕緣性好，蒸氣壓低，難揮發等特性。所以PCB作為絕緣油、潤滑油、添加劑等，被廣泛用於變壓器、電容器，以及各種塑料、樹脂、橡膠等工業，因此PCB也存在於這些工業的廢水中而被排入水體。PCB在天然水和生物體內都很難降解，是一種很穩定的環境汙染物。
近年來石油對水體的汙染也十分嚴重，特別是海灣及近海水域。石油對水體汙染的主要汙染物是各種烴類化合物－－烷烴、環烷烴、芳香烴等。在石油的開采、煉製、貯運、使用過程中，原油和各種石油製品進入環境而造成汙染，其中包括通過河流排入海洋的廢油、船舶排放和事故溢油、海底油田泄漏和井噴事故等等。當前，石油對海洋的汙染已成為世界性的環境問題。1991年發生的海灣戰爭，人為地使大量原油從科威特的艾哈邁迪油港流入波斯灣，這是最大的一次石油汙染海洋事件，它將帶來難以估量的惡果。
石油或其製品進入海洋等水域後，對水體質量有很大影響，這不僅是因為石油中的各種成分都有一定的毒性，還因為它具有破壞生物的正常生活環境，造成生物機能障礙的物理作用。石油比水輕又不溶於水，覆蓋在水麵上形成薄膜層，既阻礙了大氣中氧在水中的溶解，又因油膜的生物分解和自身的氧化作用，會消耗水中大量的溶解氧，致使海水缺氧，同時因石油覆蓋或堵塞生物的表麵和微細結構，抑製了生物的正常運動，且阻礙小動物正常攝取食物，呼吸等活動。如油膜會堵塞魚的鰓部，使魚呼吸困難，甚至引起魚類死亡。若以含油的汙水灌田，也會因油膜粘附在農作物上而使其枯死。
水體汙染物中有一類屬於耗氧有機物，它們是來自於城市生活汙水及食品、造紙、印染等工業廢水中含有的大量碳氫化合物、蛋白質、脂肪、纖維素等有機物質，本身無毒性，但在分解時需消耗水中的溶解氧，故稱為耗氧（或需氧）有機物。
天然水體中溶解氧含量一般為5～10mg·L-1。當大量耗氧有機物排入水體後，使水中溶解氧急劇減少，水體出現惡臭，破壞水生生態係統，對漁業生產的影響甚大。這類物質對水體的汙染程度，可間接地用單位體積水中耗氧有機物生化分解過程所消耗的氧量（以mg·L-1為單位），即生物化學需氧量（BOD）來表示。一般用水溫在25℃時5天的生化需氧量（BOD5）作為指標，用以反映耗氧有機物質的含量與水體汙染的關係，一般情況下，水體中BOD5低於3mg·L-1時，水質較好。BOD5量愈高，表明溶解氧消耗就愈多，水質就愈差。因此，BOD5達到7.5mg·L-1時，水質不好；大於10mg·L-1時，表明水質很差，魚類已不能存活。
汙水中除大部分是含碳的有機物外，還包括含氮、磷的化合物及其他一些物質，它們是植物生長、發育的養料，稱為植物營養素。過多的植物營養素進入水體後，也會惡化水質、影響漁業生產和危害人體健康。含氮的有機物中最普遍的是蛋白質，含磷的有機物主要有洗滌劑等。
蛋白質在水中的分解過程是：蛋白質→氨基酸→胺及氨。隨著蛋白質的分解，氮的有機化合物不斷減少，而氮的無機化合物不斷增加。此時氨（NH3）在微生物作用下，可進一步被氧化成亞硝酸鹽，進而氧化成硝酸鹽，其過程為：
第一步：氨被氧化成亞硝酸鹽
第二步：亞硝酸鹽被氧化成硝酸鹽
這樣，複雜的有機氮化合物就會變成無機硝酸鹽。大量的硝酸鹽會使水體中生物營養元素增多。對流動的水體來說，當生物營養元素多時，因其可隨水流而稀釋，一般影響不大。但在湖泊、水庫、內海、海灣、河口等地區的水體，水流緩慢，停留時間長，既適於植物營養元素的積累，又適於水生植物的繁殖，這就引起藻類及其他浮遊生物迅速繁殖。當這些水體中植物營養物質積聚到一定程度後，水體過分肥沃，藻類繁殖特別迅速，使水生生態係統遭到破壞，這種現象稱為水體的富營養化。水體出現富營養化現象時，浮遊生物大量繁殖，因占優勢的浮遊生物的顏色不同，水麵往往呈現藍色、紅色、棕色等。這種現象在江河、湖泊中稱為水華，在海洋上則稱為赤潮。這些藻類有惡臭，有的還有毒，表麵有一層膠質膜，魚不能食用。藻類聚集在水體上層，一方麵發生光合作用，放出大量氧氣，使水體表層的溶解氧達到過飽和；另一方麵藻類遮蔽了陽光，使底生植物因光合作用受到阻礙而死去。這些在水體底部的死亡的藻類屍體和底生植物在厭氧條件下腐爛、分解，又將氮、磷等植物營養元素重新釋放到水中，再供藻類利用。這樣周而複始，就形成了植物營養元素在水體中的物質循環，使它們可以長期存在於水體中。富營養化水體的上層處於溶解氧過飽和狀態，下層處於缺氧狀態，底層則處於厭氧狀態，顯然對魚類生長不利，在藻類大量繁殖的季節，會造成大量魚類的死亡。同時，大量藻類屍體沉積水體底部，會使水深逐漸變淺，年深月久，這些湖泊、水庫等水體會演變成沼澤，引起水體生態係統的變化，如圖4－6所示。因此，水體的富營養化亦是水體遭受汙染的一種很值得注意並應給予足夠重視的嚴重現象。