基于下列原因，设计多级反渗透膜法处理系统：
❖ 常规的产水出水品质不够理想；
❖ 不允许采用离子交换作为后处理(不允许采用再生药品)；
❖ 脱除病毒、细菌、热源和有机物特别重要；
❖ 需要非常高的反渗透膜系统可靠性。
制药和医药生产工艺用水一般设计成产水多级系统，多级膜处理系统实际上是两个传统反渗透膜系统的组合，首级的产品水作为次级的进水，两级既可以是单段式，也可以是多段式，既可以是一次通过式，也可以有浓水再循环运行模式。
下图为多级反渗透膜系统的示意图，二级（RO2）的浓水回流到RO1的进水端，这是因为其品质仍比进入反渗透膜系统原水水质好，同时RO2的进水水质高（RO1的产水），因此RO2可比RO1有更高的水回收率，就可以使用较少的反渗透膜元件。
二级反渗透膜系统
只要不超过反渗透膜元件允许进水压力范围（对于陶氏膜BW系列元件，41bar），整个系统可以只设置一台高压泵，而不需要每一级单独设泵，此时，二级由RO1的产水压力来推动，但是在任何时间和条件下，同一段的产水压力与同一段的进水或浓水压力的差值（即背压）不得大于0.3bar。也可以设置一个中间过渡水箱以收集RO1反渗透膜的产水，然后再利用高压泵向二级反渗透膜装置供水，但该水箱要采取细致的措施防止受灰尘和微生物的污染。
产水电导率在多数情况下是产水品质较重要的参数，由于二氧化碳无法被反渗透膜所脱除，它会存在于成品水中，形成碳酸引起电导率的上升，通过将进水pH加碱调节到8.2左右，就可以阻止CO2透过反渗透膜，在此pH条件下，所有的二氧化碳会转化成碳酸，而碳酸能被膜很好地除去，在RO1的进水或产水中均可以加入NaOH，在产水中加NaOH时，加入量非常小，这是因为RO1产水几乎不存在缓冲能力，但在RO1的进水中加碱要千万小心，防止碳酸钙沉淀，在pH8.2左右容易发生碳酸钙沉淀。采用加碱处理方法，一般情况下，原水含盐量不高时采用二级反渗透膜工艺，系统产水电导率可达<1µs/cm（25℃）。
