膜技术是最适合废水循环和再利用的技术，膜技术将是废水深度处理的首选技术。
其优点是几乎可完全脱除SS、一般的细菌、病毒、大肠杆菌等，且可脱色，减少生成三氯甲烷（THM）的前驱物，出水水质优良，由于膜装置占用的空间小，特别适合于老厂改造升级或建厂空间受限制的条件下采用。
在城市污水的处理、回用中，膜过程常用于二级处理后的深度处理中，多以微滤（MF）、超滤（UF）替代常规深度处理中的沉淀、过滤、吸附、除菌等处理，以纳滤膜（NF）、反渗透（RO）进行水的软化和脱盐。在中水回用中，目前使用最多的是以MF、UF与活性污泥组成的膜生物反应器。
工业废水组成各不相同，回用目的也各异，膜技术的应用也多种多样。但不管在哪一种废水处理中，膜技术都必须与其他技术合理配合才能发挥其作用。因为污水的成分极其复杂，不同的回用目的，要求的水质标准和处理工艺也各不相同，任何一种单一的水处理技术都难以达到回用水的水质要求。
一般认为MF可脱除污水中微生物、细菌、虫卵、病毒，UF可脱除污水中的大分子，如蛋白质、腐殖酸及某些生成THM的前驱物和染料。经MF和UF处理的污水溶解盐及大部分离子仍难以脱除，必须经RO膜才能将这些组分脱除。二级出水经RO处理后可达到饮用水标准，其脱盐率可达90％以上，水回收率75％以上，COD和BOD的去除率85％以上。但RO需在较高压力下操作，费用较高，以前在污水处理中使用比较多的是MF和超滤膜。近年开发的NF膜可截留相对分子质量大于200的低分子及二价和高价离子，对一价离子截留率很低，因此可在较低压力下操作，且透水量大，运行费用低，在污水处理中可去除所有病毒、细菌、农药、表面活性剂以及三氯甲烷前驱物，这类物质会与水中氯（如杀菌时加氯）反应生成THM之类的致癌物质，由于这类前驱物大多为低分子有机物，用常规的水处理技术及MF、UF均难以很好脱除，而NF可除去二级出水中90％以上的溶解碳和THM前驱物以及2／3的盐度、4／5的硬度，出水符合美国1986年安全饮用水法律对污染物的规定。
荷电膜的电渗析是在电场力作用下的膜过程，多用于工业废水的处理和回用，如电镀废水中金属离子之类的荷电离子的分离、回用。
液膜技术因可利用化学反应促进传质过程，传质速度快，分离效率高，在含酚废水等的处理中已有中试规模的应用研究。
将膜分离（以MF、UF为主，也有用NF）与生物反应结合的膜生物反应器（MBR）在污水处理中用得最多的是膜分离活性污泥法，即以膜分离代替常规活性污泥中以重力进行沉降分离的二沉池，具有装置紧凑、出水水质好等优点。
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