膜对不同物质具有透过性差异，膜分离技术就是利用膜的这种特性，在一定的传质推动力下，对混合物进行分离的方法。印染废水深度处理所用的膜分离技术主要有微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）。MF 和UF 常作为NF 和RO 的预处理； UF 能分离大分子有机物、胶体、悬浮固体；NF 能实现脱盐与浓缩的同时进行；RO 能去除可溶性金属盐、有机物、胶粒等并截留所有离子。阮慧敏等采用UF+RO 工艺对浙江某印染厂废水生化处理后的出水进行处理，膜系统进水COD 100~350 mg/L，色度180 倍，电导率800~1 350 μS/cm。膜系统处理后出水COD＜10 mg/L，色度1~2 倍，电导率＜30 μS/cm。 Xujie Lu 等采用生物滤池结合膜分离的方法，当进水COD 为150~450 mg/L 时，出水COD 降到50 mg/L 以下，去除率高达91%，且色度、浊度、铁锰浓度的去除效果都非常好。
膜分离技术的优势为： 其不仅能去除水中残余的有机物，降低色度，还能脱除无机盐类，防止系统中无机盐的积累，是印染废水深度处理中极具前景的一项技术。然而，膜处理工艺的成本较高，且膜组件易被污染而缩短其使用寿命。只有通过控制并降低膜污染来延长膜寿命，从而降低成本，膜分离技术在印染废水深度处理中才会得到更加广泛的应用。