當今，水源普遍受到污染，同時人們對飲用水水質的要求越來越高，深度處理將成為以地表水為水源的自來水廠所必備的處理設施，深度處理將越來越常規化。飲用水深度處理的目的是進一步去除經常規處理后所殘存的微量有機污染物，特別是人工合成有機物、腐殖質等，使水的品質更好，更加有利于健康。深度處理方法有活性炭吸附、臭氧——生物活性炭、膜分離等水質檢測方法。
- 活性炭處理
活性炭是以植物類原料（木屑、果殼）或優質煤為原料，經過碳化、活化而制成的一種多孔、比表面積大、具有極強吸附能力的顆粒狀或粉末狀吸附劑。在活化過程中，活性炭可形成新的微孔或將原有封閉的微孔打通，擴大原有微孔尺寸，并在其表面形成酸性或堿性氧化復合體，使其具有良好的吸附能力。活性炭具有物理吸附和化學吸附的雙重特性，可以有選擇地吸附氣相、液相中的各種物質，以達到脫色精制、消毒除臭和去污提純等目的。
在飲用水處理方面，活性炭可以有效吸附水中腐殖質、有機物、重金屬及其他有毒物質，使處理后水的色度、味道、耗氧量等指標大幅度降低，水的口感更好。更重要的是活性炭可以有效降低能夠產生“三致”（致突變、致畸和致癌）作用的有機鹵化物的前體物質，使飲用水更加安全。
單純使用活性炭吸附，只是將被吸附物質聚集、濃縮在活性炭中，而沒有被分解,所以經過一定時間的吸附后，活性炭會飽和失效。失效的活性炭可以再生，但再生所需的設備復雜、操作繁瑣、費用昂貴，這些都限制了活性炭吸附技術的應用。
- 臭氧——生物活性炭
為克服單純活性炭吸附的缺點，水處理工作者開發出臭氧——生物活性炭工藝。即在炭濾池前加入臭氧，利用臭氧和微生物共同分解吸附在活性炭上的有機物，使活性炭長期保持活性，從而避免了活性炭頻繁的再生。
- 膜分離
砂濾只能將大部分細菌、寄生蟲、膠體顆粒去除，對于小于1微微米（pm）的顆粒，或以分子狀態存在于水中的有害物質則無能為力。要想進一步提高水質，可以采用膜分離技術。
膜廣泛存在于生物體內，是兩相分離的手段和物質選擇性傳遞的屏障。膜具有選擇透過性，水和一些小分子物質可以通過，大分子物質則不能通過。膜分離的驅動力可以是壓力差、電位差、溫度差或者濃度差，其中在水處理中應用最多的是壓力驅動。按膜的孔網來分，有微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜。微濾膜孑L徑0.03~10微米,可以去除0.01?10微微米的懸浮物、纖維和細菌，壓力差1?20帕斯卡；超濾膜可分離膠體、相對分子質量為1000~300000的生物化學制品和大分子有機物；納濾膜可分離某些二價無機鹽、糖和染料，被分離物質相對分子質量在200~1000;反滲透膜可以去除幾乎所有的水中雜質，是制造純凈水的關鍵設備。