三級處理
城市污水處理三個級別中的最後一級，是污水高級處理（又稱深度處理）措施。污水經過二級處理後，仍含有磷、氮和難以生物降解的有機物、礦物質、病原體等，需要進一步淨化處理，以便消除污染。污水高級處理的另一種形式是物理化學處理法。
根據三級處理出水的具體去向和用途，其處理流程和組成單元有所不同。如果為防止受納水體優養化，則採用除磷和除氮的處理單元過程；如果為保護下游飲用水源或浴場不受污染，則應採用除磷、除氮、除毒物、除病原體等處理單元過程；如果直接作為城市飲用以外的生活用水，例如洗衣、清掃、沖洗廁所、噴灑街道和綠化地帶等用水，其出水水質要求接近於飲用水標準，則要採用更多的處理單元過程。污水的三級處理廠與相應的輸配水管道結合起來便形成城市的中水道系統。
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處理過程
除磷
最有效和實用的除磷方法是化學沉澱法，即投加石灰或鋁鹽、鐵鹽形成難溶性的磷酸鹽沉澱。石灰與廢水中的磷酸根離子發生如下反應而形成難溶的羥基磷灰石沉澱：
3HPO3-＋5Ca2+＋4OH-=Ca5(OH)(PO4)3↓＋3H2O為了保證投加石灰的沉澱除磷效果，必須將pH值提高到9.5～11.5。
鋁鹽和磷酸根反應生成的磷酸鋁在pH值為6時沉澱效果最好，鐵鹽和磷酸根反應生成的磷酸鐵在PH值為4時沉澱效果最好。為了確定金屬鹽的準確投量，須對待處理的污水進行小型試驗。
除氮
生物硝化－反硝化法：是需氧生物處理過程和厭氧生物處理過程串聯工作的系統。污水中的含氮有機物首先經需氧生物處理轉化為硝酸鹽，隨後再經厭氧生物處理將硝酸鹽還原為氮氣析出而被去除。有多種處理流程，如三級串聯的活性污泥法處理系統，其中第一級用於氧化碳水化合物，第二級用於氧化含氮有機物，而第三級是使第二級產生的硝酸鹽在厭氧條件下還原析出氮氣。在所有的處理流程中，都是向厭氧系統中投加一些補充的需氧源（如甲醇），以使反硝化所需的反應時間縮短而切合實用。
物理－化學法
有三種方法，即吹脫法、折點氯化法和選擇性離子交換法。
①吹脫法：使污水的銨離子在高pH值的條件下大部轉變成氨氣： NH4+＋OH-=NH3↑＋H2O 在溫度25℃和pH值為7、9、11的條件下，溶液中NH4+與NH3的分配比分別為180、1.8和0.018，因此吹脫法除氮最適宜的pH值在11左右。將污水調到這樣高的pH值以後送入吹脫塔中，自上而下噴灑流動，與向上流動的空氣逆流接觸而將氨氣吹出。吹脫法的除氮效率主要受到溫度的影響。如在氣溫為20℃和10℃時，除氮率分別為95％和75％。
②折點氯化法。
③選擇性離子交換法：是以沸石（特別是斜發沸石）對銨離子比對鈣、鎂和鈉等離子有優先交換吸附的性能為基礎來去除氨氮的。將斜發沸石破碎篩分成20～50目的顆粒，填裝於濾池中。廢水大約以每小時10倍濾床體積的濾速流經沸石濾池。大約流過200倍濾床體積的正常濃度的城市污水以後，濾出水中會出現氨氮。此時便需要用濃食鹽水溶液對沸石濾床進行再生。用過的濃食鹽溶液可通過吹脫等方法脫氨，然後重複使用。
除有機物
活性碳能有效地除去二級處理出水中的大部分有機污染物。一些三級處理廠的粉末活性炭接觸吸附裝置(或粒狀活性炭過濾吸附裝置)去除化學需氧量(COD)和總有機碳(TOC)的代表性的效率為70～80％，每公斤活性碳吸附容量為0.25～0.87公斤COD，具體吸附容量是由進水的有機物濃度和所要求的出水有機物濃度決定的。在任何情況下，活性碳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。這主要是在活性碳上還有生物吸附和氧化作用所致。 臭氧氧化法和活性炭吸附法配合使用，往往能更有效地去除有機物並可延長活性碳的使用壽命。臭氧能將有機物氧化降解，減輕活性碳的負荷，還能將一些難以生物降解的大分子有機物分解為易於生物降解的小分子有機物，而便於被活性碳吸附和生物降解。臭氧氧化的廢水流經活性碳濾池時因含有較多的氧氣而會增強活性碳的生物活性，提高生物氧化能力。
除無機物
有三種可採用的方法：即離子交換、電透析和逆滲透。在污水三級處理中用逆滲透法脫除礦物質和有機污染物最受重視。使用高效除鹽膜逆滲透裝置的結果證明，總溶解性固體可去除90～95％，磷酸鹽可去除95～99％，氨氮可去除80～90％，硝酸鹽氮可去除50～85％，懸浮物可去除99～100％，總有機碳可去除90～95％。可見，逆滲透法能有效地去除多種污染物。缺點是設備造價和運轉費用都高。另外，逆滲透膜容易被污染物堵塞，需要清洗。有些三級處理系統是由超過濾和反滲透串聯組成的，前者主要去除有機污染物，而後者去除溶解性無機物。
除病原體
用鋁鹽和鐵鹽混凝沉澱，可去除病原體99％以上，經濾池過濾能進一步提高去除率。但是，病原體並未被殺滅，仍在污泥中存活，而用石灰在pH值大於或等於10.5的條件下混凝沉澱則能殺滅污泥中的病毒。用臭氧殺滅病毒的效果也較好。 廢水三級處理廠基建費和運行費用都很昂貴，約為相同規模二級處理廠的2～3倍，因此其發展和推廣應用受到限制，只運用於嚴重缺水的地區或城市，回收和利用經三級處理後的出水。
