城市汙水處理三個水平中的最後一個水平是汙水的高度處理(也稱深度處理)措施。汙水二次處理後也含有磷、氮和難以生物降解的有機物、礦物質、病原體等，為了除去汙染還需要進一步的淨化處理。汙水高度處理的另一種形態是物理化學處理法。
技術原理
汙水三級處理是將汙水二級處理後，再去除汙水中的其他汙染成分(如氮、磷、微細浮游物、微量有機物和無機鹽等)的工藝處理過程。
操作方法
主要方法有生物脫氮法、凝聚沉澱法、砂過濾法、硅藻土過濾法、活性炭過濾法、蒸發法、冷凍法、反滲透法、離子交換法、電透析法等。
根據三級處理廢水的具體方向和用途，處理流程和組成單元不同。為了防止接受水體的富營養化，採用除磷和氮工藝保護下游飲用水源和浴池免受汙染，必須採用除磷、除氮、除毒、除病原體等工藝作為城市飲用以外的生活用水，如洗滌、清掃、廁所清洗、街道散佈、綠化地帶等用水汙水三級處理廠結合相應的供水管道形成城市中水道系統。
處理過程
單個模塊的三級處理如下：
第一階段的處理是通過機械處理，如格柵，沉澱或浮選，去除岩石，沙和脂肪，油脂等。二次處理是生物處理，汙水中的汙染物被微生物分解，轉化成汙泥。第三級處理是汙水的先進處理，包括通過氯化、紫外線輻射或臭氧技術去除營養物質和消毒汙水。
除磷
最有效、最實用的除磷方法是化學沉澱法，即加入石灰或鋁鹽和鐵鹽形成不溶性磷酸鹽沉澱。
鋁鹽與磷酸根反應形成的磷酸鋁在ph6時的沉澱效果最好，鐵鹽與磷酸根反應形成的磷酸鐵在ph4時的沉澱效果最好。為確定金屬鹽的正確劑量，有必要對處理過的汙水進行小型試驗。
除氮
生物硝化脫氮法:好氧生物處理過程和厭氧生物處理過程串聯工作的系統。汙水中的含氮有機物首先通過好氧生物處理轉換成硝酸鹽，之後通過厭氧生物處理將硝酸鹽還原成氮，析出併除去。有多種處理工藝，如三級系列活性汙泥工藝系統，其中第一級用於碳水化合物氧化，第二級用於含氮有機物的氧化，第三級用於在厭氧條件下減少第二級硝酸鹽的氮。在所有處理過程中，在厭氧系統中加入一些額外的氧源（如甲醇），以縮短反硝化所需的反應時間，使之具有實用性。
除有機物
活性炭能有效地去除二次處理水中的大部分有機汙染物。粉末活性炭接觸吸附裝置（或顆粒活性炭過濾器吸附裝置）除去化學需氧量（cod）和總有機碳（toc）的代表性效率為70～80%，活性炭每公斤吸附容量為0.25～0.87kg，比吸附容量取決於有機物濃度和出水有機物所需濃度。在任何情況下，活性炭的實際吸附容量比按吸附等溫線試驗測定的吸附容量大得多。這主要是由於生物吸附和氧化活性炭（SEE廢水活性炭處理）。
採用臭氧氧化和活性炭吸附相結合的方法，更有效地去除了有機物，延長了活性炭的使用壽命。臭氧可以氧化有機物，減少活性炭的負載，並且可以將一些難以生物降解的大分子有機物分解成小分子有機物，這種物質易於被活性炭吸收和生物降解。臭氧氧化廢水能提高活性炭的生物活性，增強活性炭的生物活性，提高生物氧化能力。
除無機物
可採用離子交換、電透析、反滲透三種方法。汙水三級處理最重視的是反滲透法去除礦物質和有機汙染物。使用高效脫鹽膜反滲透裝置的結果表明，全溶解性固體可除去90~95%，磷酸鹽可除去95~99%，氨氮可除去80~90%，硝酸鹽氮可除去50~85%，懸浮物可除去99~100%，全有機碳可除去90~95%。研究表明反滲透法可以有效地除去許多汙染物。缺點是設備的成本和運行費用很高。此外，反滲透膜容易被汙染物堵塞，需要清洗。部分三級處理系統由超濾和反滲透串聯組成，前者主要去除有機汙染物，後者去除溶解性無機物。
除病原體
鋁鹽和鐵鹽的凝聚沉澱可以去除病原體的99%以上，在過濾池中過濾可以進一步提高去除率。然而，汙泥中的病原體未被殺死，仍然存活，而汙泥病毒可以通過在ph大於或等於10.5的石灰混凝沉澱而被殺死。用臭氧殺死病毒的效果也很好。
廢水三級處理廠的建設費用和運營費用都很高，約為同規模二級處理廠的2~3倍，限制了其發展和普及，只適用於嚴重缺水的地區和城市，回收利用三級處理過的水。
