作為一種新型的分離技術，膜分離技術既能對廢水進行有效的凈化，又能回收一些有用物質，同時具有節能、無相變、設備簡單、操作方便等特點，因此在廢水處理中得到了廣泛的應用并顯示了廣闊的發展前景。在廢水處理中應用的膜分離過程主要有微濾(MF) 、超濾(UF) 、納濾(NF) 、反滲透(RO) 和電滲析( ED)。
1、含油廢水的處理
含油廢水面廣量大， 鋼鐵工業的壓延、金屬切削、研磨， 以及石油煉制及管道運輸等都產生含油廢水，處理含油廢水的目的主要是除油同時去除COD及BOD.膜分離技術在含油廢水處理中的研究與應用相當廣泛，主要是采用不同材質的超濾膜和微濾膜來處理。
2、染料廢水的處理
目前在染料的工業生產過程中，產生大量的高鹽度( 質量分數大于5%) 、高色度( 數萬至十幾萬) 、高CODCr( 數萬至十幾萬)的廢水。由于該類廢水的BOD5 與CODCr 的比值小于0.4，生物降解性差;同時廢水中所含的鹽將進一步降低廢水的生物降解性，所以生化處理前必需對其進行預處理。
3、造紙廢水處理
造紙廢水一般含懸浮物( 包括無機和有機的)較多，為避免廢水污物堵塞薄膜，減少清洗難度和頻率，不宜直接用一段膜分離法，在膜分離前進行絮凝和常規過濾等預處理。目前對造紙廢水的膜分離法的研究已取得實質性進展，并已開始進入工業化階段。除抄紙廢水( 白水) 用氣浮法即可處理外，膜分離法幾乎適用于處理所有的制漿造紙廢水( 如機械漿廢水、硫酸鹽漿漂白堿性廢水、涂布廢水、亞硫酸鹽廢液等)，特別對漂白廢水的毒性、色度和懸浮物的去除有明顯效果。
4、重金屬的廢水處理
在工業廢水中重金屬廢水占有相當大的比例，如電鍍、冶金、化工、電子、礦山等許多工業過程中都會產生含鎳、鉻、銅、鉛、鎘等金屬離子的廢水，利用膜技術不僅可以使得廢水達標排放， 而且可以回收有用物質。
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