膜生物反应器（ MBR ）是将悬浮增长活性污泥生物处理与膜过滤设备相结合的一个新技术，藉以提供关键性的固液分离功能。它的基本概念是把过滤膜置入活性污泥处理池中来实现这一组合。经过膜生物反应器处理的污水过滤水质量优于三级污水处理厂处理后的污水质量。 MBR中执行的这一固液分离功能，在一般传统处理中是使用二级澄清池和三级过滤器来完成的。
这种膜生物反应器最初是应用在较小的污水处理厂，直接把膜置于活性污泥池中以达到固体和水的分离 ，过滤水被抽通过膜表面，便得到高质量的出水。在水处理厂规模较小的情况下，MBR的应用较为简单。然而，当较大的水处理厂考虑使用膜分离技术时，应用中的条件变化得更为复杂，处理程序的效率也更重要，而在设计上则更加关注于微生物方面的考量。使用膜生物反应器技术带来的好处，几乎从每个在升级或扩建的水处理厂都能看见。
系统选择
工程师和制造商有责任对业主和膜系统的使用人员在以下方面进行培训：
排放水质的许可标准。美国国家污染物排放消除系统（NPDES）对水质的规定，在通常的情况下并不需要使用膜技术。传统活性污泥法便可处理废水，以满足最后污水排放的处理要求。但在以下的情况下， 可以考虑使用膜分离技术。其中包括：在对水质营养素要求严格时; 防止环境水质恶化是一个问题时；考虑污水再用;一般的改建需要添加额外的处理池或增加三级处理; 可使用的场地极为有限; 或者是考虑技术升级的情况下。
由优秀制造商生产的中空纤维和平板膜生物反应器系统，都可以用来处理废水，使出水中污染物低于可检测的最低极限。
膜的设计通流量。膜的透水性是受水力学所限制的。因为膜的特性不同，渗透方式不同，通过膜渗透的能力会因生产商和制造膜的材料不同而有所变化。有关膜通量率的具体细节和其对过滤操作的影响，应当同每一个膜生产商讨论，以取得合理的设计通量率。
设计所需的膜组数量应考虑低流量，平均流量，日最大流量，以及最大瞬时流量，包括必须在一定时间内可承受的流量。由于温度也会影响渗透能力，历史上最低的废水温度应该提供给生产商，以获得制造商对特定现场条件下的标准化通量率。设计的通量一定要保证在厂商产品的一般通量工作范围之内。
膜的外围配套系统。MBR中的许多系统是用于支持膜处理系统的，而不同制造商膜的外围配套系统也显著不同。类似于一般的处理厂，为了在处理过程中保护下游设备，MBR系统也使用网栅做预处理，以去除粒状和油脂。膜是非常容易遭到水流中磨料和尖锐杂物的损坏，而且较大杂物可能在膜内或周边搭桥或编织在一起，因而造成堵塞。
膜制造商一般建议使用细孔网栅。两维结构的网栅，如一排一排穿孔性的板栅，就优于开槽栅或一维的栅栏。当然两者都可以使用。与平板膜相比，中空纤维膜通常对网栅的要求更严格。
在较为简单的膜生物反应器设施里，平板膜和中空纤维膜的两种系统都可能要求提供均衡池，缺氧池与曝气池，然后再是MBR的反应池。两种系统的活性污泥处理池有相近的总容积，但它们的曝气池和MBR反应池大小有所不同。中空纤维系统要求较小的MBR反应池和较大的曝气池。与中空纤维系统相反，平板系统则要求较大的MBR反应池和较小的曝气池。在不同的厂商之间，曝气池和膜过滤池的总容积是几乎相等的。
在MBR池前面的曝气池空气系统，可以与传统的处理厂曝气池空气系统相比拟。两种膜生物反应器的空气供应系统不同，但其整个空气系统在规模大小和连接的动力方面又是类似的。制造商的研发重点通常着重在膜生物反应器空气供应系统的能源管理上，因为这是一个很大的能量消耗源。中空纤维膜系统以通过间断式供气，或在膜块间轮流供气来达到节能的目的。间断或轮流供气是由压缩空气系统控制的循环压缩空气阀来操控，每10至30秒执行一次。不同于中空纤维膜空气系统，该平板式膜系统则采用变速驱动并测量MBR池的气流量，以调整空气流和电力的使用。
两类膜制造商生产的膜系统，其对膜过滤和渗透通量的维护方法也是不同的。中空纤维膜系统通常采用泵抽，这是由于跨膜工作压力（TMP）较高，并且需要用反冲洗和化学清洗方法来做经常性和定期膜通透量维护。另外，它还包括一个捕获溶解空气的吸气式反应池，来除去泵抽水中的溶解空气。 有时会用双向多功能渗透泵，来代替分离式的抽水和反冲泵系统。在中空纤维中，渗通量的维持是采取松弛，空气冲洗，定期反冲洗或化学反冲洗，定期化学清洗保养和定期恢复性清洗。周边系统包括现场化学药品泵供系统，化学品储存，反冲洗泵，反冲洗池和储水池排水泵。
平板式渗透膜系统的过滤程序可以用泵或通过控制阀依靠重力完成。平板膜可以是单叠或双叠。由于可利用的跨膜操作压力较低，每叠膜都有必要拥有自己的渗透收集系统。当跨膜压力变得高于期望值，而膜渗透性需要恢复的时候，则采用松弛膜，以及空气冲刷的办法进行通透量维护，以维持最佳的生物膜状态。一般情况下每年必须进行就地化学清洗3至4次，在较冷的地方废水温度较低，因此清洗要频繁一些。
两类膜系统都必须具备的其它包括监测和控制系统等的共同设备。
场地条件。当选择一个新厂址，或翻新改进一个现有水处理厂时，该场地的水利学结构特点可能就决定了它适合使用哪一种膜系统。水厂设计考虑的问题应包括进水和循环水的方式，渗透方法和膜的配置方法。制造商不同，其安装的膜不同，膜反应池的结构也因而不同。过滤膜组上方所需的水深，则依赖于渗透操作的模式。
渗透膜通常采用的取水方法是使用泵抽。渗透膜泵系统可造成轻微的真空，以助于水渗透。在场地条件允许时，平板系统可以利用重力或以泵协助重力渗透，不管是那个膜叠块（只要提供的水力梯度足以克服所需的跨膜压力） 。目前运行中的平板膜系统，大约有50 ％是使用重力渗透系统。
污泥。到目前为止，对于膜过程所产生的污泥还没有特别的限制 。人们已经认识到，膜生物反应器设施产生的污泥量较少。
膜反应器正在被纳入污泥处理过程，以进一步增加挥发性固体物质的降解和减少固体体积。这一应用可以减小固体消化反应池的体积， 提高污泥处理量，以至减少最终需要处置固体的总量。
采购预审。由于系统有很大的差别，在最终设计之前协商或选择一个膜系统的做法，有利有弊，但一般来说利大于弊。投标资格预审或预先选定是膜系统的典型采购方式。首先，由业主依据一般的商誉以及实物经验对膜供应商进行资格预审，并访问不同的现行水厂。接下来，要求经过资格预审的供应商提供正式的位点特异性设计方法和价格建议书，以备最佳价值评估使用。应当理解的是，经过资格预审的膜系统应该都可以生产符合美国国家污染物排放消除系统（NPDES）许可证要求的用水，因此根据要求所提供的正式建议书可以公正地比较制造商的标准系统。厂商在预选过程所付出的费用，也包含在投标的价格里以作为津贴。
膜技术的未来
以膜生物反应器应用在废水处理厂已成功地建造和运行多年，证明此一技术可不断地产出卓越的用水。因为膜生物反应器将会继续运用在更多的水处理厂，我们可预见大型的水处理厂将会逐渐使用膜生物反应器技术。
主要的制造商有能力为这些大型水厂生产膜过滤系统，但这些水厂又会带来新的挑战。制造商正在熟悉就大型设施在应用这些技术所可能面临的困难，以改善系统运行效率和电源消耗最小化。
膜的使用在增加，而其应用变得更加普遍。应用方面的巨大变化使得制造商把开发重点放在生物处理和提高系统效率上。
