Das Abwasser wird der Kläranlage über zwei Sammelkanäle zugeleitet und mit vier Schneckenpumpen auf das zur Weiterbehandlung erforderliche Geländeniveau angehoben.

In der Rechenanlage werden zunächst alle Grobstoffe sowie größeres Schwimmgut – zum Beispiel Papier, Holz, Gemüsereste und Textilien – aus dem Abwasser entfernt.

Im nachfolgenden belüfteten Sandfang wird eine zentrifugale Strömung erzeugt, die grob- und feinkörnige Stoffe abtrennt.

Anschließend gelangt das Abwasser zu den rechteckigen Vorklärbecken, in denen die Fließgeschwindigkeit stark verringert ist. Dadurch setzen sich dort – im Gegensatz zum Sandfang – auch leichte Schwebstoffe auf dem Beckenboden ab. Eventuell auftretender Schwimmschlamm kann in den Vorklärbecken ebenfalls abgeschieden werden.

Das zufließende Abwasser enthält teils gelöste, teils schwimmende biologisch abbaubare Stoffe. Daneben beinhaltet es zahlreiche Organismen, die bereits in der Kanalisation auf dem Weg zum Klärwerk für einen ersten Um- und Abbau von Schmutzstoffen sorgen.

In den Belebungsbecken entstehen, wie es der Name sagt, durch die Zugabe von Luftsauerstoff und der intensiven Durchmischung optimale Lebensbedingungen für Mikroorganismen. Hier erfolgt in verschiedenen Beckenzonen und Verfahrensschritten (mit und ohne Sauerstoffeintrag) der weitergehende Abbau der gelösten Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphatverbindungen.

Zum technischen Gesamtkonzept gehört, dass die natürlichen, in Gewässern ablaufenden Selbstreinigungsprozesse in der biologischen Reinigungsstufe unter bestmöglichen Voraussetzungen umgesetzt werden.

In den Nachklärbecken trennt sich der Belebtschlamm vom Wasser, denn aufgrund geringer Fließgeschwindigkeit setzt er sich auf der Beckensohle ab. Damit der Schlamm erneut für die Reinigungsarbeit genutzt werden kann, wird er wieder in das Belebungsbecken zurückgeführt. Die Biomasse wächst aufgrund der Zellvermehrung im Belebungsbecken kontinuierlich, deswegen muss ein Teil des abgeschiedenen Belebtschlammes als Überschussschlamm aus dem System entfernt werden.

Der in der Vorklärung abgeschiedene und eingedickte Schlamm wird in den Faulbehälter gepumpt. Auch der in der Nachklärung abgeschiedene Überschussschlamm gelangt nach maschineller Eindickung über ein Siebband ebenfalls in die Faulbehälter. Unter Luftabschluss und bei einer Temperatur von 36 Grad Celsius werden die energiereichen organischen Substanzen abgebaut. Als Abfallprodukt entsteht dabei Faulgas, ein Mix aus Methan und Kohlendioxid in einem Mischverhältnis von etwa drei zu zwei.

Der ausgefaulte Schlamm wird nach Abzug aus dem Faulbehälter im Nacheindicker zwischengespeichert und in der Zentrifuge teilentwässert. Dieser Schlamm verfügt über einen hohen Nährstoffgehalt. Er wird mit einem Trockensubstanzgehalt von ca. 30 Prozent in Containern abtransportiert und der Verbrennung zugeführt. Aufwändige chemische Analysen stellen sicher, dass die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Grenzwerte (insbesondere die Schwermetallkonzentrationen entsprechend der Klärschlammverordnung) eingehalten werden.

Bei der Schlammfaulung entsteht Faulgas. Dieses wird als Brennstoff zur Beheizung der Faulbehälter und der Klärwerksgebäude sowie zur Stromerzeugung in einem Blockheizkraftwerk (Kraft-Wärme-Kopplung) eingesetzt. Dieser erzeugte Strom wird ebenso wie die entstehende Wärme unmittelbar im Klärwerk genutzt.

Es ist vorgesehen, den anfallenden Klärschlamm zukünftig in einer neu zu errichtenden Monoverbrennungsanlage zu entsorgen und das enthaltene Phosphat zu recyceln.

1957 errichtete der Wasser- und Bodenverband Wahn die erste Kläranlage, um häusliche Abwässer und Schmutzwasser aus Industrieanlagen mechanisch zu reinigen.
Die Reinigungsleistung war ausgelegt für 42.000 Einwohnende und Einwohnergleichwerte.

Zum Schutz der Umwelt hat der Wasser- und Bodenverband Wahn seine Anlagen fortlaufend ausgebaut – stets auf dem neuesten technischen Stand. Von 1976 bis 1981 wurde die mechanische Kläranlage erweitert und eine vollbiologische Kläranlage mit Schlammbehandlung und Schlammentwässerung errichtet.

Das in den 1980er Jahren auftretende Robbensterben, die Algenpest in der Nordsee und der hohe Verschmutzungsgrad der Flüsse erforderte eine weitergehende, noch effektivere Abwasserreinigung. Mit der Erweiterung der biologischen Reinigungsstufe und Inbetriebnahme der nachgeschalteten Filteranlage verfügt die Kläranlage Wahn seit 1992 über eine vollständige Nährstoffelimination (Abbau von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphatverbindungen). Damit erfüllt sie die verschärften gesetzlichen Anforderungen an die Abwasserreinigung.

Seit 2004 wird die Kläranlage Wahn im Verbund mit den übrigen Kölner Kläranlagen durch die Stadtentwässerungsbetriebe Köln, AöR betrieben.

2019 wurde eine Anlage zur Deammonifikation des Prozesswassers ergänzt. Bei allen Anlagen kommt die jeweils energieeffektivste Technik zum Einsatz. Hiermit konnte der Energieverbrauch wesentlich verringert werden.