煤化工废水经过预处理，COD得到大幅度降解，但仍难以达标排放。因此，在生化处理工段之后需设置深度处理工艺，以进一步去除污染物。对于煤化工废水目前应用较广泛的深度处理工艺如下。
1) 混凝沉淀技术。煤化工废水经过生化处理后浊度和色度仍然很高，可通过投加混凝化学药剂，进行混凝沉淀处理来满足排放要求。通过混凝沉淀技术处理煤化工废水的混凝剂主要有Al2( SO4)3、PAC、PFS、FeCl3，相关研究表明，通过综合分析，PFS处理煤化工废水效果较好，处理至达标成本***低。
2) 吸附法。吸附法是通过具有孔径小、空隙多、比表面大等特点的吸附材料，富集煤化工废水中污染物的方法。煤化工废水处理的常用吸附剂有活性炭、粉煤灰、膨润土等。其中，活性炭***为常用，因为其具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，但活性炭存在再生难，处理费用较高的缺点;粉煤灰由于和活性炭结构相近，因此有吸附性能，且价格低廉，但粉煤灰存在二次污染的风险，限制了其工业应用。
3) ***氧化法。***氧化处理煤化工废水的主要方式有臭氧氧化法、非均相催化臭氧氧化技术、超临界水氧化技术、光催化氧化技术、催化湿式氧化技术和Fenton 氧化技术。其中，臭氧氧化技术对酚类、杂环类等有机物去除效果较好，同时在作用过程中不造成二次污染;非均相催化臭氧氧化技术中的催化剂包括金属氧化物、金属及金属改性的沸石、活性炭等，其在催化过程中，除了起到催化作用，通常伴随着吸附作用，对煤化工废水深度处理效果较好，可使之达标排放;超临界水氧化技术具有反应效率高，处理彻底，反应器结构简单等优势，可实现对难降解有机物进行深度氧化，但在国内研究尚处于起步阶段，工业化运用较少;光催化氧化利用半导体材料，在紫外光照射下实现高分子有机污染物的降解，然而由于该催化剂不能充分利用太阳能，故现阶段运用较少;湿式氧化技术在高温高压的条件下，将难降解的有机物降解为小分子有机物，对煤化工废水深度处理效果较好;Fenton 技术具有反应速率高，操作方便，设备简易等优点，可用于煤化工废水预处理工段及深度处理工段，处理效果较好。