La filtración directa mediante membranas (FDM) es una atractiva alternativa para potenciar la recuperación de recursos en el ámbito del tratamiento de aguas residuales municipales (ARM). El objetivo de esta tecnología es mejorar la recuperación del material particulado afluente de las ARM mediante la implementación de una unidad de filtración por membrana como paso previo al tratamiento biológico secundario, reduciendo así las necesidades energéticas asociadas a la oxidación aeróbica de la materia orgánica en los sistemas de fangos activos. Asimismo, el fango concentrado en el tanque de membranas puede emplearse para incrementar la producción de metano durante el proceso de digestión anaerobia, mejorando el balance energético global del tratamiento de ARM. Esta tesis doctoral tuvo como objetivo determinar la tecnología de membranas más adecuada (microfiltración, ultrafiltración o membranas dinámicas) para realizar la FDM de ARM. Además, se estudiaron diferentes tipos de influentes (agua residual bruta y sobrenadante del decantador primario) y condiciones de operación (concentración de sólidos en el tanque de membranas, flujo transmembrana y tamaño de poro del material de soporte en el caso de la membrana dinámica) con el fin de identificar eficaces estrategias operativas y de diseño para minimizar el ensuciamiento de la membrana y maximizar la recuperación de recursos durante la operación a largo plazo. Dicho estudio se realizó mediante la operación de una planta piloto basada en membranas (equipada con módulos de membrana comerciales) durante un periodo de más de 3 años, siendo esta alimentada con ARM procedente de una instalación para el tratamiento de ARM a escala industrial. La relación entre el tamaño de poro de la membrana y la distribución de tamaños de partícula en el afluente tratado se identificó como una de las principales variables involucradas en el ensuciamiento de la membrana. En este caso, la tecnología de UF se determinó como mucho más adecuada en comparación a la MF debido a su menor propensión al ensuciamiento durante la FDM de ARM. Por otro lado, operar a concentraciones de sólidos suspendidos relativamente elevadas en el tanque de membranas (entre 6 – 11 g L-1) permitió minimizar la propensión al ensuciamiento. La aplicación de flujos transmembrana bajos/medios (alrededor de 10 LMH) también fue necesaria para mantener el ensuciamiento de la membrana en niveles bajos, observado un severo incremento del encaminamiento al aumentar dicho flujo. Los dos afluentes tratados (agua residual bruta y sobrenadante de la decantación primaria) presentaron similares propensiones al ensuciamiento al operar bajo adecuadas concentraciones de sólidos suspendidos en el tanque de membrana. Un tiempo de retención del fango de 3 días fue identificado como límite superior para evitar pérdidas significativas de la materia orgánica recuperada en el tanque de membranas debido a su biodegradación. La materia orgánica se determinó como el principal promotor del ensuciamiento durante la filtración de ARM, registrándose perdidas en la permeabilidad de la membrana del 75 al 99% en función del tamaño de poro de la membrana empleada. La FDM de ARM fue capaz de producir un permeado de alta calidad, capaz de cumplir con los estándares impuestos por la normativa europea en cuanto a vertidos en ambientes no sensibles. Asimismo, se obtuvieron resultados prometedores respecto a los análisis preliminares de impacto energético, económico y de huella de carbono del proceso. Los ensayos de filtrabilidad del fango identificaron la concentración de solidos suspendidos como variable dominante respecto a la resistencia a la filtración de fangos no biológicos. El método de tiempo de filtración (del inglés, time to filter) se determinó como la más adecuada en comparación con el tiempo de succión capilar (del inglés, capillary suction time) y la resistencia específica a la filtración (del inglés, specific resistance to filtration) debido a su mayor sensibilidad al tratar fangos sin actividad biológica. Un modelo simple y genérico fue propuesto para predecir la dinámica de la presión transmembrana durante la filtración de ARM (agua residual bruta y sobrenadante de la decantación primaria) mediante membranas de UF. Dicho modelo fue capaz de predecir adecuadamente el ensuciamiento de la membrana dentro del rango de condiciones evaluadas. Las membranas dinámicas se identificaron como una atractiva alternativa para la FDM de ARM debido sus extremadamente inferiores coste de inversión y sustitución de las membranas, así como su significativo menor coste de mantenimiento y operación en comparación con las membranas porosas. La auto-formación de una membrana dinámica a corto plazo fue posible al tratar agua residual bruta. Dado que la calidad del permeado no mejoró significativamente al emplear materiales de soporte más restrictivos, se estableció el uso de una única capa de material de soporte con 5 µm de tamaño de poro como la alternativa más conveniente dentro de las condiciones estudiadas en este trabajo. Lamentablemente, la calidad del permeado producido por esta tecnología no fue capaz de cumplir con la normativa europea de vertido. Además, las mejoras energéticas y de huella de carbono obtenidas por la misma en comparación con la decantación primaria no fueron lo suficientemente elevadas como para justificar su uso en instalaciones ya en funcionamiento.