膜分離法是利用特殊的薄膜對液體中的某些成分進行選擇性透過的方法的統稱。常用的膜分離方法有微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)等。膜分離法具有分離效率高，且將濾后的凈化水重復利用于生產，實現零排放，裝置簡單，操作容易，易維修、控制等優點。采用膜分離法進行造紙廢水的處理，是目前的研究熱點和難點。黃江麗等采用0.8μm微濾(MF)與50nm超濾(UF)無機陶瓷膜組合工藝對造紙廢水進行處理，在溫度為15℃、壓力為0.1MPa的操作條件下，0.8μm膜對比COD去除率為30%～45%，50nm膜對COD去除率為55%～70%。譚紹早等以聚丙烯腈為基膜，殼聚糖為改性劑采用紫外輻射法制備了一種新型納濾膜，處理CTMP廢水，其對鈉的截流率為40.1%，且濃縮液中的固形物含量、燃燒熱比原廢液大大增加,可滿足堿回收工段的要求。雖然膜分離在造紙廢水的處理具有一些優勢，但也存在一定的問題。如膜的污染和分離效果降低，膜組件價格較高等。
膜分離技術處理造紙白水，可以較徹底去除造紙白水中的金屬離子和溶解性無機鹽物質，是實現造紙零排放目標的有效措施之一。膜分離方法處理造紙白水的結果表明：TOC、COD的去除率分別達到78%~96%、88%~94%，而電導率的下降率達95%~97%。
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。
薛建軍等研究用MAE(membrane-assistedelectrolysis)單陽膜技術控制造紙黑液的污染。研究表明，MAE單陽膜技術不但能回收有用的化學品，還可將黑液的CODCr從112000mg/L降到2000mg/L左右，具有明顯的控制效果。F.Zhang進行了草漿CEH漂白廢水的超濾處理研究，選用透過相對分子質量分別為3000(A)、10000(B)、30000(C)、60000(D)4種平板PS膜(單膜有效面積0.33cm2，操作壓力0.3MPa)進行對比研究，結果表明，A、C膜具有較顯著的分離效果和膜通量。分別以C、A膜為一、二級聯合處理CEH漂白廢水，膜通量為16.6L/(m2?h)，BOD5去除率為66.0%，CODCr去除率為85.1%，TOC去除率為71.6%。黃水前等提出，采用pH范圍為1~14的高耐酸堿無機膜處理堿性造紙黑液，不需調整控制pH。利用不同孔徑的高耐堿無機分離膜可回收纖維素、膠體SiO2、木質素（相對分子質量為1000~12000，分子大小為2.4~4.0nm）和還原糖（相對分子質量約為200～400，分子大小為1~2nm）等，最終透過液主要含氫氧化鈉，質量分數調整到10%~12%即可回收用于蒸煮制漿，實現造紙工業廢水的閉路循環。
隨著膜分離技術研究的深入，這項技術在造紙廢水處理方面將具有更加廣闊的應用前景，實現造紙廢水的零排放。