基于下列原因，設計多級反滲透膜法處理系統：
? 常規的產水出水品質不夠理想；
? 不允許采用離子交換作為后處理(不允許采用再生藥品)；
? 脫除病毒、細菌、熱源和有機物特別重要；
? 需要非常高的反滲透膜系統可靠性。
制藥和醫藥生產工藝用水一般設計成產水多級系統，多級膜處理系統實際上是兩個傳統反滲透膜系統的組合，首級的產品水作為次級的進水，兩級既可以是單段式，也可以是多段式，既可以是一次通過式，也可以有濃水再循環運行模式。
下圖為多級反滲透膜系統的示意圖，二級（RO2）的濃水回流到RO1的進水端，這是因為其品質仍比進入反滲透膜系統原水水質好，同時RO2的進水水質高（RO1的產水），因此RO2可比RO1有更高的水回收率，就可以使用較少的反滲透膜元件。
二級反滲透膜系統
只要不超過反滲透膜元件允許進水壓力范圍（對于陶氏膜BW系列元件，41bar），整個系統可以只設置一臺高壓泵，而不需要每一級單獨設泵，此時，二級由RO1的產水壓力來推動，但是在任何時間和條件下，同一段的產水壓力與同一段的進水或濃水壓力的差值（即背壓）不得大于0.3bar。也可以設置一個中間過渡水箱以收集RO1反滲透膜的產水，然后再利用高壓泵向二級反滲透膜裝置供水，但該水箱要采取細致的措施防止受灰塵和微生物的污染。
產水電導率在多數情況下是產水品質較重要的參數，由于二氧化碳無法被反滲透膜所脫除，它會存在于成品水中，形成碳酸引起電導率的上升，通過將進水pH加堿調節到8.2左右，就可以阻止CO2透過反滲透膜，在此pH條件下，所有的二氧化碳會轉化成碳酸，而碳酸能被膜很好地除去，在RO1的進水或產水中均可以加入NaOH，在產水中加NaOH時，加入量非常小，這是因為RO1產水幾乎不存在緩沖能力，但在RO1的進水中加堿要千萬小心，防止碳酸鈣沉淀，在pH8.2左右容易發生碳酸鈣沉淀。采用加堿處理方法，一般情況下，原水含鹽量不高時采用二級反滲透膜工藝，系統產水電導率可達<1μs/cm（25℃）。
