污水首先经过三座提升泵站提升，然后分别经过沉砂池和初沉池，该厂有48座初沉池，每座初沉池长56米，宽12.3米，深7.2米。初沉池分为双层，可以适应鹿岛有限的土地面积。一级处理可去除50~60%的SS和50%的病原菌。

二级处理系统采用纯氧活性污泥工艺，二级处理系统的污染物去除率达到85%。鹿岛污水处理厂每天生产130~220吨的纯氧用于二级处理。一级处理系统产生的污泥和浮渣采用重力浓缩，二级处理系统产生的污泥和浮渣采用离心浓缩。离心浓缩投加聚合物以提高效率。泵房、预处理、一级处理、二级处理系统产生的臭味采用碳吸附控制。

该厂共12座卵形消化池，每座高42.7米，直径27.5米，污泥消化可以显著地降低污泥产量，产生大量的沼气，沼气用于发电。消化后的污泥通过隧道运至造粒厂，进一步加工成农肥，每天可生产75吨农肥。一级、二级处理之后是消毒，首先用次氯酸钠消毒，然后投加亚硫酸氢钠脱氯，以防止排水对水生生物造成影响。最后的出水通过一条15公里长、直径7.3米的退水渠道进入水深30米的马萨诸塞州湾，出水有50个管道扩散器，迅速地将出水和周围的海水进行混合，大量的环境监测表明水环境得到了有效的保护。

鹿岛污水处理厂有一座实验室，每年的检测分析数据量超过了10万个，有效地支持工艺控制，确保出水达到处理厂的排放要求。