膜生物反應器（Membrane Bioreactor）是高效膜分離技術與污水生物處理工藝相結合而開發的新型生物化學系統。它以高效膜分離代替傳統生物處理中的二沉池，以實現更好的處理效果。膜生物反應器是膜與生物結合的產物，以實現微生物發酵，動植物細胞培養和生物催化轉化等。通常在常溫和常壓下進行生化反應，可使產物或副產物從反應區連續的分離出來，打破反應的平衡，從而可大大提高反應轉化率，增加產率或處理能力，過程能耗低、效率高。
膜生物反應器主要由膜分離組件及生物反應器兩部分組成。通常提到的膜生物反應器實際上是三類反應器的總稱：①曝氣膜生物反應器（Aeration Membrane Bioreactor，AMBR）；②萃取膜生物反應器（Extractive Membrane Bioreactor， EMBR）；③固液分離型膜生物反應器（Solid／Liquid Separation Membrane Bioreactor，SLSMBR，MBR）。
（1）曝氣膜生物反應器
曝氣膜生物反應器最早見于Cote．P等1988年報道，采用透氣性致密膜（如硅橡膠膜）或微孔膜（如疏水性聚合膜），以板式或中空纖維式組件，在保持氣體分壓低于泡點（BubblePoint）情況下，可實現向生物反應器的無泡曝氣。該工藝的特點是提高了接觸時間和傳氧效率，有利于曝氣工藝的控制，不受傳統曝氣中氣泡大小和停留時間等因素的影響。
（2）萃取膜生物反應器
萃取膜生物反應器又稱為EMBR （Extractive
Membrane Bioreactor）。因為高酸堿度或對生物有毒物質的存在，某些工業廢水不宜采用與微生物直接接觸的方法處理；當廢水中含揮發性有毒物質時，若采用傳統的好氧生物處理過程，污染物容易隨曝氣氣流揮發，發生氣提現象，不僅處理效果很不穩定，還會造成大氣污染。為了解決這些技術難題，英國學者Livingston 研究開發了EMBR。廢水與活性污泥被膜分隔開來，廢水在膜內流動，而含某種專性細菌的活性污泥在膜外流動，廢水與微生物不直接接觸，有機污染物可以選擇性透過膜被另一側的微生物降解。由于萃取膜兩側的生物反應器元和廢水循環單元是各自獨立，各單元水流相互影響不大，生物反應器中營養物質和微生物生存條件不受廢水水質的影響，使水處理效果穩定。系統的運行條件如HRT和SRT可分別控制在最優的范圍，維持最大的污染物降解速率。
（3）固液分離型膜生物反應器
固液分離型膜生物反應器是在水處理領域中研究得最為廣泛深入的一類膜生物反應器，是一種用膜分離過程取代傳統活性污泥中二次沉淀池的水處理技術。在傳統的廢水生物處理技術中，泥水分離是在二沉池中靠重力作用完成的，其分離效率依賴于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分離效率越高。而污泥的沉降性取決于曝氣池的運行狀況，改善污泥沉降性必須嚴格控制曝氣池的操作條件，這限制了該方法的適用范圍。由于二沉池固液分離的要求，曝氣池的污泥不能維持較高濃度，一般在1.5～3.5g／L左右，從而限制了生化反應速率。水力停留時間（HRT）與污泥齡（SRT）相互依賴，提高容積負荷與降低污泥負荷往往形成矛盾。系統在運行過程中還產生了大量的剩余污泥，其處置費用占污水處理廠運行費用的25％～40％。傳統活性污泥處理系統還容易出現污泥膨脹現象，出水中含有懸浮固體，出水水質惡化。針對上述問題，MBR將分離工程中的膜分離技術與傳統廢水生物處理技術有機結合，大大提高了固液分離效率，并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中特效菌（特別是優勢菌群）的出現，提高了生化反應速率。同時，通過降低F／M 比減少剩余污泥產生量（甚至為零），從而基本解決了傳統活性污泥法存在的許多突出問題。根據膜組件和生物反應器的組合方式，固液分離型膜生物反應器可將膜生物反應器分為分置式、一體式以及復合式三種基本類型。
