深度处理的目的是进一步去除悬浮固体、有机物、氮、磷等来自污水的杂物。常用的方法包括过滤、活性炭吸附、膜技术等。活性炭含有大量微孔，比表面积大，能有效去除颜色和气味。大多数有机、无机和某些重金属是深度处理中最广泛和有效的技术之一。
广泛应用于中水回用的膜技术包括超滤、微滤、纳滤、反渗透、电渗析等。，去除率高。膜价格的降低将促进膜分离技术在中水深度处理中的应用。微滤可以去除不能通过沉淀去除的细菌、病毒和磷酸盐。反渗透能降低盐度，去除溶解固体，二级出水脱盐率可达90%以上。
纳滤技术可以在较低的压力下直接去除病毒、细菌和一些溶解的有机物。生物过滤技术充分利用了滤料的截污吸附功能和附着在滤料上的生物膜的降解功能，具有较高的去除率，具有能耗低、流程短、易操作等优点。新的脱氮除磷技术缩短了脱氮过程，减少了能耗，节约了碳源，提高了处理能力。近年来，生物技术的发展也带动了水处理行业的发展，如生物膜或固定化细胞单极生物脱氮，新的生物反应器和固定化方法已经开发出来，但仍在实验室研究中，需要进一步为工程设计提供相应的参数。
