Die Stadt betreibt seit 1968 eine Kläranlage. Die erste Kläranlage bestand als einstufige mechanisch-biologische Sammelkläranlage aus Zulaufschneckenhebwerk, freistehender Rechenanlage, Rundsandfang, Wassermengenmesseinrichtung, Vorbelüftungsbecken, Vorklärbecken, Belebungsbecken, Nachklärbecken, Betriebsgebäude mit Faulturmanlage und Schlammtrockenbeeten. Im Jahr 1980 wurde zusätzlich jeweils ein zweites Belebungsbecken und Nachklärbecken in Betrieb genommen sowie die Schlammbehandlung ergänzt.

Für die Anpassung der Kläranlage an erhöhte Reinigungsanforderungen wurde bereits im Jahr 1990 mit der Planung begonnen, im Jahr 1993 der Neubau der chemischen Phosphatelimination realisiert und das Ausbaukonzept im Jahr 1999 bei den Aufsichtsbehörden zur Genehmigung eingereicht. Die baufachliche Stellungnahme der Wasserwirtschaftsbehörden lag im Dezember 2000 vor.

Nach Durchführung der öffentlichen Ausschreibungen begann im Januar 2003 die komplizierte Erweiterung der Kläranlage Marktheidenfeld, die ein Um- und Ausbau im Bestand bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Betriebes zu berücksichtigen hatte. Sie fand im Dezember 2005 ihren Abschluss.

Die häuslichen und industriellen Abwässer sowie das Regenwasser werden gemeinsam in den Ortskanalisationen der Stadt Marktheidenfeld sowie den Umlandgemeinden Erlenbach, Hafenlohr, Roden und Rothenfels gesammelt und über Transportleitungen der Kläranlage zugeführt.

Vor Einleitung in den Transportkanal wird bei starken Regenfällen die Kanalisation und Kläranlage durch Einschaltung von Regen-überlaufbecken, Regenrückhaltebecken und Stauraumkanälen  von den eingespülten Rückständen auf der Geländeoberfläche und Ablagerungen im Kanal (sog. Spülstoß) entlastet.

Dieser wird erst nach Ende des Regenereignisses nach und nach dem Abwasser zudosiert.

Mechanische Vorbehandlung
Das Abwasser wird zunächst durch das Rohwasserpumpwerk auf ein Niveau gehoben, das einen freien Durchfluss durch die Kläranlage und eine rückstaufreie Einleitung in den Vorfluter Main gewährleistet. Danach fließt das Abwasser dem Feinrechen zu, der die Grobstoffe aussiebt, in einer Waschpresse wäscht, verdichtet und in Container fördert.

Im Langsandfang werden mineralische Bestandteile, wie Sand und Kies, durch Verringerung der Fließgeschwindigkeit vom Wasser abgeschieden. Der Fettfang trennt Fett- und Schwimmstoffe durch aufsteigende Luftblasen in eine Fettkammer ab, von der das Fett in den Faulturm gefördert wird. Im Vorklärbecken wird der abgesetzte Frischschlamm unter Wasser durch einen Bandräumer in die Trichter geschoben und danach über eine Voreindickung zur Schlammbehandlung ebenfalls in den Faulturm gefördert.

Eine Kanalspülgutannahme für Rückstände aus dem Kanalnetz und eine Zulaufmessstation zur Feststellung der Wassermengen und Abstimmung der Reinigungsprozesse auf das Abwasser sind weitere Anlagenteile der mechanischen Reinigungsstufe.

Biologische Reinigung
Eine unvorstellbar große Menge am Mikroorganismen, aerobe Bakterien und Protozoen, bauen in der biologischen Reinigungsstufe die gelösten organischen Kohlenstoffverbindungen oxidativ ab. Die Bakterien erhalten den benötigten Sauerstoff aus den am Beckenboden installierten Belüfterelementen in Form von Druckluft, die in kleinen Luftblasen im Belebungsbecken aufsteigt.

Im Anaerobbecken wird das Abwasser mit dem Schlamm gemischt und in den Denitrifikationsbecken durch Umwälzung mit Rührwerken der rückgeführte Nitratstickstoff NO3-N in gasförmigen Stickstoff N2 und Sauerstoff O2 aufgespalten. In den Nitrifikationsbecken erfolgt, neben dem Abbau der organischen Kohlenstoffe, auch die weitergehende Abwasserreinigung wie Oxidation der Stickstoffverbindungen.

Dabei wird der im Abwasser enthaltene Ammoniumstickstoff NH4-N in Nitratstickstoff NO3-N umgewandelt. In den Nachklärbecken setzen sich die Belebtschlammflocken am Boden ab und das an der Oberfläche entstehende Klarwasser gelangt über die Ablaufrinne zur Ablaufmessung und von dort über die Auslaufleitung in den Main.

Die Gebläse für die Drucklufterzeugung, die maschinelle Voreindickung sowie die Pumpen für die Rücklauf- und Kreislaufwasserführung sind in den Räumen des Maschinengebäudes neben den Belebungsbecken untergebracht.

Schlammbehandlung
Der Überschussschlamm und Schlamm aus der Vorklärung wird durch eine im Maschinengebäude aufgestellte Zentrifuge auf ca. 8 % Feststoffgehalt (92 % Restwasser) eingedickt. Im Faulturm fault der Schlamm bei 35 ° Celsius ca. 25 Tage aus. Damit werden neben der Verringerung der Schlammmenge eine Hygienisierung und eine Geruchsminderung des Klärschlamms erreicht.

Das entstehende Klärgas (Methan und Kohlendioxyd im Verhältnis 2/3 zu 1/3, täglich 700 m3 Gas, was ca. 350 l Heizöl entspricht) wird im ebenfalls im Maschinengebäude untergebrachten Blockheizkraftwerk umweltfreundlich in Strom und Wärme umgewandelt.

Falls der Gasanfall die Kapazität des Blockheizkraftwerks übersteigt, wird das Klärgas in einem Gasbehälter zwischengespeichert. Im Notfall steht eine Gasfackel zur Verfügung, mit der das überschüssige Klärgas verbrannt werden kann.

Der ausgefaulte Schlamm wird in einem Schlammspeicher zwischengespeichert, in den Nacheindickern im Wassergehalt nochmals reduziert und in der Schlammentwässerung bis auf einen Trockensubstanzgehalt von 25 - 30 % entwässert.

Die Abwässer aus der Schlammbehandlung (Faulwasser, Trübwasser) weisen hohe Stickstoffkonzentrationen auf. Sie werden im Prozesswasserbecken gespeichert und dem Kläranlagenzulauf bei schwacher Belastung des ankommenden Abwassers zudosiert.