隨著水污染日益嚴重，大量的污染物尤其是有機污染物通過不同的方式進入水體，飲用水水源受到日趨廣泛的污染。傳統的混凝、過濾、消毒等自來水工藝是以去除水中的懸浮物、濁度、色度為主，對溶解性有機物去除能力相對不足，而且加氯消毒本身還形成了“三致物質”(致癌、致畸、致突變)，直接影響飲用者的身體健康。因此，zui大可能地去除水中的微量有機污染物、消毒副產物等就是飲用水深度凈化的目的。水的深度處理在國外應用較為普遍，我國在飲用水深化處理方面還處于起步階段，大部分老水廠均未采用深度處理，只有部分新水廠采用了深度處理。人們開發了許多技術如活性炭吸附、臭氧氧化、和熱力法等對飲用水進行深度處理。
活性炭是一種多孔炭素材料，有著巨大的比表面積和很強的吸附能力。活性炭主要應用在飲用水的預處理環節中，通常使用粉狀活性炭來吸附待處理水中的有機物和異臭、異味的物質，預處理環節可以減輕后續水處理的負擔。活性炭吸附是去除水中溶解性有機物的有效方法之一。對于季節性嚴重污染的水源，還可以設立投加粉狀炭的水源水質惡化應急處理系統。
熱力法可分為高溫蒸餾和低溫冷凍兩類處理方式。蒸餾法以消耗熱能為代價，通過對含鹽水進行熱力脫鹽達到淡化處理的效果，適用于含鹽量超過3000mg/L的礦井水處理。冷凍法則是利用了冷凍分離的固液相平衡原理，在冷環境中將溶液降溫到水的凝固點以下，使得部分水凍結形成冰晶，利用溶液中溶質的凝固點遠低于水的凝固點的物理特性，使水先于雜質而以固體形態析出，將雜質排除在外，分離固液相。然后再融化冰晶，就得到了比較純凈的水和濃縮液。在工業水污染處理中，用此方法得到的濃縮液可以提純成為工業用品或者集中處理，冰中的冷量可以用來預冷污水以及提供空調、冷庫的冷源，融化的水比較純凈，處理后可以再利用，從而降低排放甚至達到*
臭氧是一種很強的氧化劑，它可以通過化學氧化作用來分解水中的有機污染物。臭氧可以分解多種有機物、除臭、除色等。但是臭氧在水處理時投加量有限，不能把有機物*分解成為水和二氧化碳，反應中產生一些中間產物仍存在于水中。經臭氧處理過的有機物增加了羧基等，其生物降解性大大提高，如不進一步處理，則容易引起微生物的繁殖。另外，在對臭氧處理過的污水進行加氯消毒時，被臭氧作用的一些中間產物容易和氯進行化學反應，生產三鹵甲烷類物質，使污水的突變活性增強。因此，在飲用水處理過程中，臭氧一般不會單獨使用，可以在活性炭床前設置臭氧氧化與活性炭聯合使用，也可以用臭氧代替原有的預氯化。。
