城市污水经过一级及二级处理后，污水中还可含有一些残留的胶体微粒和溶解性物质。为了减少受纳水体的污染，或要求将污水重复利用，须将污水作进一步处理，即深度处理或高级处理，也称三级处理。

污水经一级和二级处理后残留的物质有： ①促进水体中藻类大量繁殖的无机营养素如磷、氮等; ②引起水质不良的色、嗅、味和耗氧的有机物;③造成水体混浊的胶状物;④妨碍污水重复利用的可溶性无机物。此外，还有传染疾病的病菌和病毒等。

污水的深度处理，由除磷、除氮、除有机物及除无机物等单元过程组成，也包括除病原菌和病毒设备。根据深度处理的目的和污水的排放具体要求，其处理流程和组成单元有所不同。如为防止受纳水体富营养化，可采用除磷、除氮的深度处理; 如作为城镇饮用以外的生活用水，如洗衣、清扫，冲厕所，喷洒街道和绿化地带等用水，则要求深度处理后接近饮用水卫生标准，如为防止排出口以下水体传染疾病，则应采用严格消毒措施，灭除病菌和病毒。

完善的城市污水深度处理系统，可将经过处理的水，补充生活饮用水水源。这种处理系统一般由化学混凝及除氮，氨解吸除氮，再碳酸化、砂滤，活性炭过滤吸附和投氯消毒等单元组成。处理系统的流程见下图所示：

城市污水深度处理

深度处理系统各单元的处理过程：

(1) 化学沉淀及除磷法： 基本上与饮用水净化处理中混凝沉淀的原理相同(见“混凝”条)，用硫酸铝、三氯化铁或石灰等投入污水中，与污水中碱类作用产生混凝沉淀，清除二级处理出水中的胶体物质，并可使溶解性及胶状的磷酸盐沉淀，以除去污水中的磷化物。利用石灰时，为保证除磷效果[Ca5(OH)PO4沉淀]，应控制pH≥10。磷酸铝与磷酸铁以pH≥6.3为最好。混凝产生的沉淀物，可经浓缩、锻烧、加酸等步骤回收再利用作混凝剂。

(2) 氨解吸及除氮法： 是利用空气吹脱污水中氨，清除氮分。一般将污水pH值调节至9～12，使污水中铵盐转成游离氨，然后污水在“解吸塔”中自上而下滴洒，同时通入空气将氨吹脱。为预防氨污染大气，可将吹出气用薄的稀硫酸吸收。“解吸塔”用木料或水泥建造，塔中叠装木条层。在运行过程中，为防除塔中填料沉积碳酸钙发生堵塞，可用水淋洗或用稀硫酸处理。

污水的除氮法，也可利用生物滤池或生物转盘，使污水中的含氮有机物转化为硝酸盐，随后再经厌气生物过程将硝酸盐还原为氮气排入大气。也有利用沸石进行选择性离子交换去除污水中氨氮，沸石滤床的再生可用浓食盐水反冲。

(3) 再碳酸化法： 为了有利于活性炭单元的处理，应将脱氮污水的pH值降低至9.3～7.0，此法是在污水中通入CO₂调整污水pH值。此法与饮用水石灰软化处理后再碳酸化相类似。

(4) 过滤法： 与给水过滤法(见“过滤”条)同，通常应用快砂滤法。本法能辅助化学沉淀法，进一步清除胶体及溶解性磷，又能保证下一单元活性炭的吸附效果。

(5) 活性炭吸附法： 应用1.5～1.7mm粒径的活性炭作炭滤塔，污水通过活性炭塔后，有机质及色、嗅、味物质能被活性炭吸附，出水清洁。污水的pH值应保证小于9.0。如塔有阻塞，可用沉淀水反冲60～90min。此种设备能承受污水有机物负荷的较大波动而不降低其清除效率。当活性炭吸附饱和时(出水BOD在15mg/L，色度在15°，甲基蓝活性物质在0.5mg/L)，应排出一部分炭粒，在塔内补充新炭，重复应用。取出的失效炭，引至燃烧炉再生，再次使用。

(6) 消毒法： 在整个污水深度处理中，化学沉淀、过滤等已能去除大量病原菌及病毒，剩余的较少数量，可用氯气、臭氧、紫外线等加以杀灭。

上述完善的污水深度处理系统，可去除五日生化需氧量(BOD5)、化学耗氧量、悬浮物、磷90～99%，除氨氮50～95%，大肠菌99.9%以上，而消灭病菌及病毒可达100%。

深度处理还可应用其他处理设备，以清除污水中有机及无机污染物，特别是城市污水中含有某些工业废水的污染物时须加以采用(见“废水电渗析”，“废水反渗透”，“废水离子交换”条)。