분리막을 폐수처리에 적용하는 과정은 실험실 규모의 벤치테스트(bench test)를 통한 적합한 막의 선택과 이렇게 선택된 막모듈을 이용한 파일럿 실험을 수행하여 얻은 설계인자를 사용하여 막분리 공정의 기술적, 경제적 타당성을 조사한다.

특히 폐수처리에 파일럿 실험이 중요한 이유는 발생되는 폐수의 특성이 다르고 특히 분리막의 오염을 유발시키는 유기물질의 복합적 현상 규명이 이론적으로 어렵기 때문이다. 분리막공정에서 막의 특성을 변화시키는 요인을 아래와 같이 요약할 수 있다.

공정설계는 전처리부분과 분리막 운전부분, 그리고 후처리부분으로 크게 나눌 수 있다. 가장 핵심적인 부분이 고압펌프와 막을 지지하는 압력용기 및 분리막 모듈이며 핵심역할을 담당한다. 전처리부분은 막성능을 장기간 유지하기 위하여 막에 영향을 주는 물질 및 투과율을 감소시키는 오염원을 제거하는 것이 주목적이며 막의 화학적 분해, 스케일, 기계적 열화 및 투과율 감소 등의 문제를 해결하여야 한다.

 
특히 폐수처리 및 재활용에 분리막공정을 응용시에는 적용폐수에 대한 전처리가 필수적이며 원수의 SDI(Silt Density Index), pH, 탁도 및 오염원등을 사전에 분석하여 분리막공정에 적절한 수준의 전처리공정을 개발하여야만 경제적인 장점을 얻을 수 있다.

일반적으로 사용되는 전처리 기법은 화학적 전처리 및 물리적 전처리로 크게 나눌 수 있으며 화학적 전처리로는 pH 조정과 응집제 투여를 통한 침전제거 또는 이온의 용해도 상승유도, 스케일을 억제하거나 제거하기 위한 약품투여, 생물학적인 오염을 사전에 제거할 수 있는 처리 및 탈염소제(dechlorination agent) 첨가등이 있다.

물리적인 전처리로는 일반적으로 막에 부착되어 투과율을 감소시키는 SS(suspended solids)물질을 제거하기 위한 공정이 큰 부분을 차지하며 모래여과나 카트리지 휠터등을 주로 사용하며 원수의 온도를 적절한 수준으로 맞추어 주는 것도 분리막의 수명을 길게 할 수 있는 방법이다. 또한 원수에 함유되어 있는 유분이나 막표면에 부착이 용이하여 투과율을 감소시키는 막코팅물질등은 사전에 적절히 처리하여야 한다. 후처리공정은 투과수의 수질에 의해 좌우되며 분리막의 종류에 따른 투과수의 질과 쓰이는 용도에 따라 후처리수준이 결정된다.
RO 계열의 막으로 폐수를 처리시 일반적인 재활용부분에 초점을 두면 투과수자체는 양호한 수질을 나타내지만 간혹 냄새가 있거나 pH 등이 높거나 낮아서 원하는 수준으로 조정할 필요가 있다.
또한 담수나 해수를 음용수로 재이용할 때에는 더욱 세심한 후처리가 필요하며 고순도의 공장용수로 사용할 경우에는 탈기공정 후 이온교환법과 같은 효과적인 후처리공정이 결합된다.