饮用水深度处理是对传统混凝、沉淀、过滤和消毒四步法工艺的提升，旨在提高饮用水品质。常用技术包括臭氧活性碳技术、膜分离技术等。尽管成本较高，但在中国，这一工艺的应用正在逐步推广。

20世纪以前，饮用水不洁导致多种疾病的传播。20世纪初，常规的四步法水处理工艺形成，以去除水中的致病微生物。然而，随着工业发展带来的有机化合物污染问题，深度处理工艺应运而生。臭氧-活性炭工艺是其中的一种，其原理是利用臭氧的强氧化能力和活性炭的吸附特性，有效去除大分子有机物。20世纪60年代，加拿大科学家索里拉金发明了反渗透膜，这种技术后来广泛应用于航天领域。1980年代，北京田村山水厂已经采用臭氧活性炭工艺。1990年代末期，嘉兴市在专家团队的研究和试运行基础上，率先引入供水深度处理工艺。2006年，全球膜处理饮用水产量显著增长。2007年中国实施新的饮用水卫生标准，推动了臭氧-活性炭处理工艺的发展。截至2012年，虽然大部分城镇水厂仍在使用传统工艺，但深度处理工艺的推广正在进行中。

臭氧因其强氧化性最初被用作饮用水消毒剂，也能去除水中的色度和臭味。活性炭是一种多孔性物质，具有发达的空隙结构和巨大比表面积。两者结合使用，能有效去除小分子有机化合物并延长活性炭的使用寿命。此外，活性炭还能吸附臭氧氧化过程中产生的中间产物，确保最终出水的化学稳定性。

膜分离技术包括微滤、超滤、纳滤和逆渗透等工艺方法。这些技术基于机械筛滤作用，能提供稳定的水质。微滤可用于终端处理和预处理；超滤能去除大分子有机物和微生物；纳滤能在低压下实现高水通量和脱盐；反渗透能去除几乎所有物质，常用于制备纯水。

生物活性炭技术利用活性炭表面附着的生物群落，通过物理吸附和生物降解相结合的方式去除水中污染物。该技术提高了出水水质，减少了氯化时的氯气用量，延长了活性炭的再生周期。

吹脱技术通过水与空气的接触，利用溶质实际浓度与平衡浓度之差，去除挥发性组分。该技术费用低廉，被美国环保署认定为去除挥发性有机物的最佳技术。

超声空化技术利用高频超声波引起化学变化，通过热解、自由基氧化等方式降解有机化合物。该技术对多种有机物有较好降解效果，但受多种因素影响。

光催化氧化技术在水中添加半导体催化剂，在紫外线辐射下产生强氧化剂，氧化水中有机物。该技术对多种有机物有较强氧化能力，且不受水温和pH值影响。