煤化工废水经生化处理后，出水的COD、氨氮等浓度虽有极大的下降，但由于难降解有机物的存在使得出水的COD、色度等指标仍未达到排放标准。因此，生化处理后的出水仍需进一步的处理。深度处理的方法主要有混凝沉淀、固定化生物技术、吸附法催化氧化法及反渗透等膜处理技术。
1.混凝沉淀
混凝沉淀法是在生产中通常加入混凝剂如铝盐、铁盐、聚铝、聚铁和聚丙烯酰胺等来强化沉淀效果调节好适当的pH 值，使废水中的悬浮物质在混凝剂的作用下聚集进而在重力作用下下沉，以达到固液分离的过程。其目的是除去悬浮的有机物。该方法可有效降低废水中的浊度。
2.吸附法
由于固体表面有吸附水中溶质及胶质的能力，当废水通过比表面积很大的固体颗粒时，水中的污染物被吸附到固体颗粒（吸附剂）上，从而去除污染物质。该方法可取得较好的效果，但存在吸附剂用量大，费用高产生二次污染等问题，一般应用于出水处。有煤化工废水需要处理的单位，也可以到污水宝项目服务平台咨询具备类似污水处理经验的企业。
3.高级氧化技术
由于煤化工废水中的有机物复杂多样，其中酚类、多环芳烃、含氮有机物等难降解的有机物占多数，这些难降解有机物的存在严重影响了后续生化处理的效果。
高级氧化技术是在废水中产生大量的自由基HO，自由基能够无选择性地将废水中的有机污染物降解为二氧化碳和水。高级氧化技术可以分为均相催化氧化法、光催化氧化法、多相湿式催化氧化法以及其他催化氧化法。