本实用新型公开一种基于膜分离技术的城镇污水回用深度净化处理设备，包括预处理过滤器、精密过滤器、超滤膜装置、保安过滤器、反渗透膜装置、回用水箱、浓水收集器。其中，所述超滤膜装置由若干支超滤膜组件并联连接组成，所述反渗透膜装置由若干支通过串联、并联方式连接为一级、二级或更多级的反渗透膜组件组成，所述超滤膜组件和所述反渗透膜组件的数量根据污水处理厂出水水质和用户对中水的品质需求进行配置。本实用新型可将城镇污水处理厂排放污水处理成高品质工业生产用水，实现排放污水分质处理、分级利用，解决现有污水处理厂出水仅能用于绿化、喷淋等少量场所，而不能满足工业生产的大量用水需求的问题。