場區主要處理單元包括截流設施、沉砂池、進流抽水井、曝氣池、沉澱池、污泥曬乾床及放流水池等。主要採接觸曝氣法使生物膜附著於濾材表面，藉此利用生物膜方法處理廢水中之有機物質以達淨化水質之功效。污水經截流後，經粗攔污柵篩除大型雜物，流入沉砂池初步沉降水體中砂礫，再經由進流抽水井，以動力方式泵送至曝氣池，經後端生物處理之處理水再經放流水池量測放流量後回放至虎頭溪排水，部分水體則取出作場內澆灌使用。
鹽水溪虎頭溪排水水質淨化場工程每日處理污水5,260公噸，生化需氧量(BOD)平均去除率為73.2%，削減量約136.1公斤/日；懸浮固體(SS)平均去除率為79.8%，削減量約108.7公斤/日；氨氮(NH3-N)平均去除率為77.8%，削減量約31.7公斤/日。