研究表明：膜技術是最適合廢水循環和再利用的技術，膜技術將是廢水深度處理的首選技術。
其優點是幾乎可完全脫除SS、一般的細菌、病毒、大腸桿菌等，且可脫色，減少生成三氯甲烷（ＴＨＭ）的前驅物，出水水質優良，由于膜裝置占用的空間小，特別適合于老廠改造升級或建廠空間受限制的條件下采用。
在城市污水的處理、回用中，膜過程常用于二級處理后的深度處理中，多以微濾（ＭＦ）、超濾（ＵＦ）替代常規深度處理中的沉淀、過濾、吸附、除菌等處理，以納濾膜（ＮＦ）、反滲透（ＲＯ）進行水的軟化和脫鹽。在中水回用中，目前使用最多的是以ＭＦ、ＵＦ與活性污泥組成的膜生物反應器。
工業廢水組成各不相同，回用目的也各異，膜技術的應用也多種多樣。但不管在哪一種廢水處理中，膜技術都必須與其他技術合理配合才能發揮其作用。因為污水的成分極其復雜，不同的回用目的，要求的水質標準和處理工藝也各不相同，任何一種單一的水處理技術都難以達到回用水的水質要求。
一般認為ＭＦ可脫除污水中微生物、細菌、蟲卵、病毒，ＵＦ可脫除污水中的大分子，如蛋白質、腐殖酸及某些生成ＴＨＭ的前驅物和染料。經ＭＦ和ＵＦ處理的污水溶解鹽及大部分離子仍難以脫除，必須經ＲＯ膜才能將這些組分脫除。二級出水經ＲＯ處理后可達到飲用水標準，其脫鹽率可達９０％以上，水回收率７５％以上，ＣＯＤ和ＢＯＤ的去除率８５％以上。但ＲＯ需在較高壓力下操作，費用較高，以前在污水處理中使用比較多的是ＭＦ和超濾膜。近年開發的ＮＦ膜可截留相對分子質量大于２００的低分子及二價和高價離子，對一價離子截留率很低，因此可在較低壓力下操作，且透水量大，運行費用低，在污水處理中可去除所有病毒、細菌、農藥、表面活性劑以及三氯甲烷前驅物，這類物質會與水中氯（如殺菌時加氯）反應生成ＴＨＭ之類的致癌物質，由于這類前驅物大多為低分子有機物，用常規的水處理技術及ＭＦ、ＵＦ均難以很好脫除，而ＮＦ可除去二級出水中９０％以上的溶解碳和ＴＨＭ前驅物以及２／３的鹽度、４／５的硬度，出水符合美國１９８６年安全飲用水法律對污染物的規定。
荷電膜的電滲析是在電場力作用下的膜過程，多用于工業廢水的處理和回用，如電鍍廢水中金屬離子之類的荷電離子的分離、回用。
液膜技術因可利用化學反應促進傳質過程，傳質速度快，分離效率高，在含酚廢水等的處理中已有中試規模的應用研究。
將膜分離（以ＭＦ、ＵＦ為主，也有用ＮＦ）與生物反應結合的膜生物反應器（ＭＢＲ）在污水處理中用得最多的是膜分離活性污泥法，即以膜分離代替常規活性污泥中以重力進行沉降分離的二沉池，具有裝置緊湊、出水水質好等優點。
