膜生物反應器技術起源于20世紀60年代的美國。膜生物反應器的研究與應用可分為三個階段:階段:1966年,美國的Dorroliver公司先將MBR用于廢水處理的研究;1968年,Smith等將好氧活性污泥法與超濾膜相結合的MBR用于處理城市污水;1969年Budd等的分離式MBR技術獲得了美國。20世紀70年代初期,好氧分離式MBR處理城市污水的試驗規模進一步擴大,同時,厭氧MBR研究也相繼開始進行,實驗室規模的研究與中試規模的研究均取得了較滿意的結果。這一時期MBR的應用由于受當時膜生產技術的限制,直到20世紀70年代后期,大規模好氧膜生物反應器才開始在北美應用。第二階段:20世紀70年代末期,日本由于國土面積小,地面水體因徑流距離較短而導致其自凈能力差、生態系統脆弱、易受污染。

MBR由于具有占地面積小和出水水質的優勢,使其應用有了很快的進展。自1983年到1987年,日本有13家公司使用好氧MBR處理大樓廢水,經處理后的水做中水回用,處理規模達50m3/d一250m3/d。日本1985年開始的“水綜合再生利用系統90年代計劃”把MBR的研究在污水處理對象與規模方面都大大推進了一步。目前在日本運行(包括在建)的膜生物反應器占的66%。第三階段(1995年—至今):進入20世紀90年代中后期,越來越多的歐洲將MBR用于生活污水和工業廢水的處理。目前主要有四家大公司經營MBR,它們分別是加拿大Zenon公司,日本MitsubishiRayon公司,法國sue-LDE/IDI公司和日本Kubota公司。Zenon、MitsubishiRayon和Kubota公司生產一體式聚合物中空纖維膜組件,而Suez-LDE/IDI生產分體式管式陶瓷膜組件。加拿大的Zenon公司先推出了超濾管式膜生物反應器,并將其應用于城市污水處理。

目前,大部分應用于城市污水處理的MBR處理能力范圍為不大于378.5m3/d,但處理能力高378.5m3/d-1892.5m3/d的MBR數量在逐步增加。在膜生物反應器的應用中,98%以上是好氧膜生物反應器。其中55%以上是一體式膜生物反應器。好氧膜生物反應器主要是針對城市廢水及生活污水的處理,厭氧膜生物反應器主要是針對高濃度有機廢水的處理。HRT(水力停留時間)、SRT(污泥齡)和污泥負荷對好氧膜生物反應器去除城市和工業廢水的CODcr和BOD5影響不大,但污泥齡和污泥負荷對硝化效率有明顯的影響。好氧膜生物反應器處理城市污水,曝氣分別占分體式和一體式MBR總能耗的20%～50%和80%～99%。污泥濃度、污泥負荷和水力停留時間對MBR的CODcr去除效果影響不明顯。污泥產率和污泥活性隨著污泥齡的降低而增加,但污泥降解污染物的能力不太受污泥齡變化的影響。同常規活性污泥法中的污泥相比,好氧膜生物反應器中的污泥顆粒小,粘度高,泡沫多,結構疏松,活性低,并且污泥的沉降和脫水性能差,在常規活性泥法中較長的污泥齡有助于高一級微型動物(原生和后生動物)的產生,但現有的研究表明,當膜生物反應器長時間不排泥時,污泥中很少或沒有原后生動物出現,遺憾的是至今并不清楚為什么會出現這種現象。采用熒光原位雜交(FISH,Fluorescentinsituhybridization)對膜生物反應器中的污泥進行分析,結果表明:膜生物反應器中微生物群落含有的細菌細胞遠少于常規活性污泥法,并且膜生物反應器的低污泥產率來自于微生物的內源呼吸而不是生物捕食。