MBR工艺概念最早源于美国。20世纪60年代，美国Dorr-Oliver公司首先将膜分离与生物处理工艺结合用于污水处理领域；尽管开始处理规划只需14m3/d，但毕竟是MBR工艺的雏形。MBR工艺展开初期均为侧流式工艺，即膜过滤系统独立于生物反应池之外，污泥需求通过循环泵回流至生物反应池内。循环泵会加MBR工艺工作能耗，加之当时膜分离技术展开缓慢、膜组件价格昂贵，致使当时MBR多处于实验室小试或中试水平，并没有获得大规划实践运用。

20世纪70年代—80年代，MBR大体上仍处于研发阶段。在这期间，国土面积狭小，水资源短少的日本政府启动了“水复兴90年规划”科研项目，在高层建筑中将MBR工艺用于污水回用系统运用，仅1983年—1987年间便有13家公司选用MBR工艺处理楼宇污水，直接推动了MBR技术展开。

1989年浸没式MBR工艺初度引入生物处理系统，将膜过滤系统置于生物反应池内部，吊销侧流式循环泵，使处理设备变得更加紧凑，均匀耗能也从前期的5kW·h/m3降至2kW·h/m3。内置式膜组件的出现打开了MBR工程运用的大门，逐渐成为干流运用工艺向全球推广。

20世纪90年代之后，跟着新式膜材料出现，MBR工艺工作得到进一步安稳，能耗也进一步下降。加拿大Zenon公司先后推出超滤管式和浸入式中空纤维膜组件，日本Kubota公司研发出平板式浸没膜组件，北美、欧洲和日本纷乱树立了小型MBR项目用于市政污水和工业废水处理。20世纪90年代中期，日本已有39座选用MBR工艺的污水处理厂，比较大处理规划可达500m3/d，一同有100多处高层建筑选用MBR工艺进行污水处理后回用。1997年，英国在Porlock树立了当时世界上规划比较大（2000m3/d）的MBR污水处理厂，随后于1999年又在Dorset建成了处理规划为13000m3/d的MBR污水处理厂。

进入21世纪后，跟着膜分离技术、组装结构和设备制造行进、以及各国对污水处理排放标准的收紧，MBR工艺灵敏遭到世界各国的喜欢，特别是在我国得到了非常普遍的运用，可谓异军突起。