城市污水处理三个水平中的最后一个水平是污水的高度处理(也称深度处理)措施。污水二次处理后也含有磷、氮和难以生物降解的有机物、矿物质、病原体等，为了除去污染还需要进一步的净化处理。污水高度处理的另一种形态是物理化学处理法。
技术原理
污水三级处理是将污水二级处理后，再去除污水中的其他污染成分(如氮、磷、微细浮游物、微量有机物和无机盐等)的工艺处理过程。
操作方法
主要方法有生物脱氮法、凝聚沉淀法、砂过滤法、硅藻土过滤法、活性炭过滤法、蒸发法、冷冻法、反渗透法、离子交换法、电透析法等。
根据三级处理废水的具体方向和用途，处理流程和组成单元不同。为了防止接受水体的富营养化，采用除磷和氮工艺保护下游饮用水源和浴池免受污染，必须采用除磷、除氮、除毒、除病原体等工艺作为城市饮用以外的生活用水，如洗涤、清扫、厕所清洗、街道散布、绿化地带等用水污水三级处理厂结合相应的供水管道形成城市中水道系统。
处理过程
单个模块的三级处理如下：
第一阶段的处理是通过机械处理，如格栅，沉淀或浮选，去除岩石，沙和脂肪，油脂等。二次处理是生物处理，污水中的污染物被微生物分解，转化成污泥。第三级处理是污水的先进处理，包括通过氯化、紫外线辐射或臭氧技术去除营养物质和消毒污水。
除磷
最有效、最实用的除磷方法是化学沉淀法，即加入石灰或铝盐和铁盐形成不溶性磷酸盐沉淀。
铝盐与磷酸根反应形成的磷酸铝在ph6时的沉淀效果最好，铁盐与磷酸根反应形成的磷酸铁在ph4时的沉淀效果最好。为确定金属盐的正确剂量，有必要对处理过的污水进行小型试验。
除氮
生物硝化脱氮法:好氧生物处理过程和厌氧生物处理过程串联工作的系统。污水中的含氮有机物首先通过好氧生物处理转换成硝酸盐，之后通过厌氧生物处理将硝酸盐还原成氮，析出并除去。有多种处理工艺，如三级系列活性污泥工艺系统，其中第一级用于碳水化合物氧化，第二级用于含氮有机物的氧化，第三级用于在厌氧条件下减少第二级硝酸盐的氮。在所有处理过程中，在厌氧系统中加入一些额外的氧源（如甲醇），以缩短反硝化所需的反应时间，使之具有实用性。
除有机物
活性炭能有效地去除二次处理水中的大部分有机污染物。粉末活性炭接触吸附装置（或颗粒活性炭过滤器吸附装置）除去化学需氧量（cod）和总有机碳（toc）的代表性效率为70～80%，活性炭每公斤吸附容量为0.25～0.87kg，比吸附容量取决于有机物浓度和出水有机物所需浓度。在任何情况下，活性炭的实际吸附容量比按吸附等温线试验测定的吸附容量大得多。这主要是由于生物吸附和氧化活性炭（SEE废水活性炭处理）。
采用臭氧氧化和活性炭吸附相结合的方法，更有效地去除了有机物，延长了活性炭的使用寿命。臭氧可以氧化有机物，减少活性炭的负载，并且可以将一些难以生物降解的大分子有机物分解成小分子有机物，这种物质易于被活性炭吸收和生物降解。臭氧氧化废水能提高活性炭的生物活性，增强活性炭的生物活性，提高生物氧化能力。
除无机物
可采用离子交换、电透析、反渗透三种方法。污水三级处理最重视的是反渗透法去除矿物质和有机污染物。使用高效脱盐膜反渗透装置的结果表明，全溶解性固体可除去90~95%，磷酸盐可除去95~99%，氨氮可除去80~90%，硝酸盐氮可除去50~85%，悬浮物可除去99~100%，全有机碳可除去90~95%。研究表明反渗透法可以有效地除去许多污染物。缺点是设备的成本和运行费用很高。此外，反渗透膜容易被污染物堵塞，需要清洗。部分三级处理系统由超滤和反渗透串联组成，前者主要去除有机污染物，后者去除溶解性无机物。
除病原体
铝盐和铁盐的凝聚沉淀可以去除病原体的99%以上，在过滤池中过滤可以进一步提高去除率。然而，污泥中的病原体未被杀死，仍然存活，而污泥病毒可以通过在ph大于或等于10.5的石灰混凝沉淀而被杀死。用臭氧杀死病毒的效果也很好。
废水三级处理厂的建设费用和运营费用都很高，约为同规模二级处理厂的2~3倍，限制了其发展和普及，只适用于严重缺水的地区和城市，回收利用三级处理过的水。
