污水深度处理有别于污水三级处理。三级处理是在二级处理流程之后再增加处理设施来取得良好的水质。深度处理则不限于此。采用二级处理新工艺取得更好的水质也属于深度处理。例如以污水二级处理退水为水源的河湖，为了防止水体富营养化，要求二级处理过程中完成生物脱氮除磷，采用厌氧-缺氧-好氧活性污泥法可以在不增加过多基建和运行费用的条件下，改变运行工况就能实现出水氮、磷浓度满足用户的要求。

污水三级处理也属于污水深度处理。当再生水用户对水中悬浮性固体总量（SS）、化学需氧量（COD）、色度、嗅味有更高要求时，尤其是在水资源短缺的地区，要求净化污水能再生回用于生活和工业，应在二级处理之后增加混凝过滤、生物膜过滤、高级氧化及膜分离作为三级处理净化单元。

污水深度处理后水质更好，可以直接作为再生水使用，因而处理费用昂贵，管理较复杂，处理每吨水的费用约为一级处理费用的4～5倍，甚至更高。但是为了改善环境，提高水资源利用率，减少水体富营养，污水深度处理尤为必要。