Mặc dù quá trình xử lý bậc hai kèm với quá trình khử trùng có thể khử nhiều hơn 85% BOD, chất lơ lửng và gần như toàn bộ các VSV gây bệnh, nhưng chúng chỉ khử rất ít một số chất ô nhiễm như nitơ, photpho, COD hòa tan và kim loại nặng. Trong một số trường hợp, các chất ô nhiễm này lại là vấn đề đáng lưu tâm. Khi đó, các quá trình khử các chất ô nhiễm không bị khử bới các quá trình xử lý sơ cấp và thứ cấp gọi là quá trình xử lý nước thải bậc cao. Thêm vào đó các quá trình này giúp cho chất lượng đầu ra đạt đến mức độ thích hợp cho các mục đích tái sử dụng nước thải.
Xử lý bậc cao gồm các quá trình sau: quá trình lọc, hấp phụ carbon, khử
photpho, kiểm soát nitơ, quá trình nitrat hóa và khử nitrat, quá trình loại ammonia.
5.2.5. Khử trùng
Bước xử lý cuối cùng trong hệ thống xử lý thứ cấp là quá trình khử trùng nước thải đã được xử lý. Khí clo và một số hợp chất của nó là chất khử trùng thông dụng. Clo được cho vào nước thải nằng hệ thống châm clo tự động. Nước thải sau
đó chảy vào bể tiếp xúc với thời gian lưu lượng nước khoảng 30 phút để cho clo tác dụng với các VSV gây bệnh.
Có ý kiến cho rằng khử trùng nước thải có thể gây hại hơn là có lợi. Ví dụ: đạo luật của cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ thay đổi từ quy định hàm lượng
Coliform trong nước thải phải nhỏ hơn 200 khuẩn lạc/ 100 ml thành yêu cầu chỉ khử trùng nước thải trong mùa hè, khi mà con người có nhiều khả năng tiếp xúc với nước bị ô nhiễm. Có 3 lý do cho sự thay đổi này. Thứ nhất sử dụng clo hay các chất oxy hóa khác thường tạo nên các hợp chất hữu cơ có khả năng gây ung thư. Thứ hai là nhận thấy quá trình khử trùng có hiệu quả tiêu diệt các sinh vật ăn mồi (nang bào và virut) hơn là bản thân các VSV gây bệnh. Kết quả là các VSV gây bệnh tồn tại lâu hơn trong môi trường cho các sinh vật ăn thịt nó bị tiêu diệt. Thứ ba là clo gây độc cho cá.