膜分离法是以选择性透过膜为分离介质,使废水在以外界能量或化学位差为推动力下通过膜介质,进水侧的废水组分选择性地透过膜介质,从而达到脱色净化目的。目前膜分离常用的是人工合成或天然的高分子薄膜,膜介质包括中空纤维膜、有机高分子膜、无机陶瓷膜等多种。对不同的废水各有其适用性,需要根据废水特性和出水的水质要求确定膜介质及其组件。在造纸废水处理中,主要采用的膜技术有超滤和反渗透,它们是以压力差为推动力的液相膜分离方法。这种方法利用低压反渗透法及超滤法处理硫酸盐纸浆废水,膜分离法可以充分脱色，脱色率在88.0%～98.3%。
膜技术在常温下进行,耗能少、处理效率高、占地面积小,基建费用低、运行管理简单。膜分离过程是一个密闭系统,操作环境卫生,去除率比较高,基于此膜分离技术在造纸废水处理中的应用很广泛。但是目前膜技术还存在一些缺陷,主要是膜成本高,废水对膜的污染严重,处理水量小,在某些情况下容易生成污垢,从而导致膜寿命变短。由于上述问题一直阻碍其应用,因而开发新型膜材料、改革膜体结构并加强“超薄膜”或“复合膜”的研究已成为国内外膜技术的新发展动向。造纸废水一般含悬浮物(包括无机和有机的)较多,为避免废水污染堵塞薄膜,减少清洗难度和频率,不宜直接用一段膜分离法,应在膜分离前先经凝聚和常规过滤等方法处理。