飲用水處理
隨著經濟社會的發展，水環境污染加劇，水源水質惡化，水中的污染物尤其是有機污染物越來越多。而傳統的飲用水處理方法僅對一般的有機污染物起作用，對“兩蟲"、藻類的去除效果不佳，且消毒容易產生副產物。
新一代飲用水凈化工藝應在提高處理效率、優化效果的同時，強調過程中無毒害物產生，能夠提高資源和能源利用率，減輕污染負荷，改善環境質量。超濾技術能滿足新一代飲用水凈化工藝要求，去除飲用水中的“兩蟲"、病毒、細菌、藻類、水生生物，保障飲用水的安全性，已廣泛應用于美國、日本等發達國家的城市水廠。
超濾膜可截留水中絕大部分懸浮物、膠體，但無法去除溶解性小分子物質，阻礙超濾技術在飲用水處理中的應用。目前（2018年），國內外諸多學者研究發現，粉末活性炭（PAC）+超濾聯用系統可將溶解的小分子污染物質轉變為顆粒狀態，從而被超濾工藝去除。
生活污水和工業廢水處理
水資源越來越缺乏，生活污水和工業廢水的循環利用備受關注。有學者采用超濾反滲透處理城市二級生活污水處理廠出水，研究發現超濾反滲透對處理后出水的總磷、總氮、總溶解固體、化學需氧量、氯離子的處理效率分別為 95%、95%、99%、90%、97%以上，滿足《城市污水再生利用景觀環境用水水質標準》（GB/T 18921—2002），可用于景觀用水；除氮指標外，絕大部分指標滿足飲用水水源標準。
其他污水處理
超濾膜技術還應用于電廠循環排污水的處理、礦區冷卻循環排污水的處理、紙漿和造紙漂白廢水的處理和鋼鐵企業排污水等工業廢水的處理。
