膜分离法是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离技术。由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等的特点，所以该技术在制药废水深度处理中的应用得到了人们的关注。
目前膜分离技术深度处理制药废水的研究主要有纳滤、微滤、反渗透等。微滤可去除沉淀不能去除的包括细菌、病毒和寄生生物在内的悬浮物。超滤可去除腐殖酸和富里酸等大分子有机物，反渗透可用于降低矿化度和去除总溶解固体。用超滤和反渗透处理二级出水不仅能除去悬浮固体和有机物，而且能去除溶解的盐类和病原菌等，得到高质量的再生水。反渗透对二级出水的脱盐率达90%以上，水的回收率70%左右，COD和BOD的去除率85%左右，细菌去除率90%以上，并且对含氯化合物、氮化物和磷也有优良的脱除性能。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
此外，膜生物反应器(MBR)工艺是集合了传统污水处理与膜过滤技术的新型污水处理工艺，它是利用高效分离膜组件取代二沉池，与生物处理中的生物单元组合形成的一套有机水净化技术。该工艺的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废水(食品废水、啤酒废水)与难降解工业废水(石化废水、印染废水等)，但以生活污水的处理为主。李振红等利用浸没一体式MBR工艺对某制药厂原污水处理工艺出水进行了深度处理中试试验，结果表明，该工艺在DO质量浓度分别为2，4，6mg/L时，出水COD去除率分别为63%，75%，80%，出水NH3-N的去除率分别为88.5%，93.6%和94%。但目前膜污染和投资运行费用较高制约了其在制药废水深度处理中的应用和发展。