MBR工藝概念最早源于美國。20世紀60年代，美國Dorr-Oliver公司首先將膜分離與生物處理工藝結合用于污水處理領域；盡管開始處理規劃只需14m3/d，但畢竟是MBR工藝的雛形。MBR工藝展開初期均為側流式工藝，即膜過濾系統獨立于生物反應池之外，污泥需求通過循環泵回流至生物反應池內。循環泵會加MBR工藝工作能耗，加之當時膜分離技術展開緩慢、膜組件價格昂貴，致使當時MBR多處于實驗室小試或中試水平，并沒有獲得大規劃實踐運用。

20世紀70年代—80年代，MBR大體上仍處于研發階段。在這期間，國土面積狹小，水資源短少的日本政府啟動了“水復興90年規劃”科研項目，在高層建筑中將MBR工藝用于污水回用系統運用，僅1983年—1987年間便有13家公司選用MBR工藝處理樓宇污水，直接推動了MBR技術展開。

1989年浸沒式MBR工藝初度引入生物處理系統，將膜過濾系統置于生物反應池內部，吊銷側流式循環泵，使處理設備變得更加緊湊，均勻耗能也從前期的5kW·h/m3降至2kW·h/m3。內置式膜組件的出現打開了MBR工程運用的大門，逐漸成為干流運用工藝向全球推廣。

20世紀90年代之后，跟著新式膜材料出現，MBR工藝工作得到進一步安穩，能耗也進一步下降。加拿大Zenon公司先后推出超濾管式和浸入式中空纖維膜組件，日本Kubota公司研發出平板式浸沒膜組件，北美、歐洲和日本紛亂樹立了小型MBR項目用于市政污水和工業廢水處理。20世紀90年代中期，日本已有39座選用MBR工藝的污水處理廠，比較大處理規劃可達500m3/d，一同有100多處高層建筑選用MBR工藝進行污水處理后回用。1997年，英國在Porlock樹立了當時世界上規劃比較大（2000m3/d）的MBR污水處理廠，隨后于1999年又在Dorset建成了處理規劃為13000m3/d的MBR污水處理廠。

進入21世紀后，跟著膜分離技術、組裝結構和設備制造行進、以及各國對污水處理排放標準的收緊，MBR工藝靈敏遭到世界各國的喜歡，特別是在我國得到了非常普遍的運用，可謂異軍突起。