本发明涉及一种城市污水深度处理工艺，工艺流程为厌氧池—氧化沟池—好氧池—MBR膜池。工艺设两条回流路线：氧化沟池—厌氧池和膜池—氧化沟池。经预处理后的城市污水依次流经厌氧池、氧化沟池、好氧池和膜池，最终通过膜过滤获得处理后出水。采用本发明工艺处理城市污水时，无需额外投加碳源和除磷药剂，总氮和总磷去除率能同时达到95%，出水总氮浓度低于5mg/L，总磷浓度低于0.3mg/L，其它指标满足国家一级A排放标准。而现有技术的总氮去除率一般为62%~80%，总磷去除率一般为70%~96.2%。