1967年第一個采用MBR工藝的廢水處理廠由美國的Dorr-Oliver公司建成，這個處理廠處理14m3/d廢水。 1977年，一套污水回用系統在日本的一幢高層建筑中得到實際應用。1980年，日本建成了兩座處理能力分別為 10m3/d 和50m3/d的MBR處理廠。90年代中期，日本就有39座這樣的廠在運行，最大處理能力可達500m3 /d，并且有100 多處的高樓采用MBR將污水處理后回用于中水道。1997年，英國Wessex公司在英國Porlock建立了當時世界上最大的MBR系統，日處理量達2000m3，1999年又在Dorset的Swanage建成了13000m3/d的MBR工廠。

1998年5月，清華大學進行的一體式膜--生物反應器中試系統通過了國家鑒定。2000年初，清華大學在北京市海淀鄉醫院建起了一套實用的MBR系統，用以處理醫院廢水，該工程于2000年6月建成并投入使用，運轉正常。2000 年 9 月，天津大學楊造燕教授及其領導的科研小組在天津新技術產業園區普辰大廈建成了一個MBR示范工程，該系統日處理污水25t，處理后的污水全部用于衛生間的沖洗及綠地澆灑，占地面積為10平方米，處理每噸污水的能耗為0.7kW·h。

90年代以來，MBR的處理對象不斷拓寬，除中水回用、糞便污水處理以外，MBR在工業廢水處理中的應用也得到了廣泛關注，如處理食品工業廢水、水產加工廢水、養殖廢水、化妝品生產廢水、染料廢水、石油化工廢水，均獲得了良好的處理效果。90年代初，美國在Ohio建造了一套用于處理某汽車制造廠的工業廢水的MBR系統，處理規模為151m3/d，該系統的有機負荷達6.3kgCOD/m3·d ，COD去除率為94%，絕大部分的油與油脂被降解。在荷蘭，一座脂肪提取加工廠采用傳統的氧化溝污水處理技術處理其生產廢水，由于生產規模的擴大，結果導致污泥膨脹，污泥難以分離，最后采用Zenon的膜組件代替沉淀池，運行效果良好。

隨著氮肥與殺蟲劑在農業中的廣泛應用，飲用水也不同程度受到污染。LyonnaisedesEaux公司在90年代中期開發出同時具有生物脫氮、吸附殺蟲劑、去除濁度功能的MBR工藝，1995 年該公司在法國的Douchy建成了日產飲用水400m3的工廠。出水中氮濃度低于0.1mgNO2/L，殺蟲劑濃度低于0.02μg/L 。

糞便污水中有機物含量很高，傳統的反硝化處理方法要求有很高污泥濃度，固液分離不穩定，影響了三級處理效果。MBR的出現很好地解決了這一問題，并且使糞便污水不經稀釋而直接處理成為可能。

日本已開發出被稱之為NS系統的屎尿處理技術，最核心部分是平板膜裝置與好氧高濃度活性污泥生物反應器組合的系統。NS系統于1985年在日本琦玉縣越谷市建成，生產規模為10kL/d，1989年又先后在長崎縣、熊本縣建成新的屎尿處理設施。NS系統中的平板膜每組約0.4m2共幾十組并列安裝，做成能自動打開的框架裝置，并能自動沖洗。膜材料為截流分子量20000的聚砜超濾膜。反應器內污泥濃度保持在15000~18000mg/L范圍內。到 1994 年，日本已有1200多套MBR系統用于處理4000多萬人的糞便污水。

土地填埋場/堆肥滲濾液含有高濃度的污染物，其水質和水量隨氣候條件與操作運行條件的變化而變化。 MBR技術在1994年前就被多家污水處理廠用于該種污水的處理。通過MBR與RO技術的結合，不僅能去除SS、有機物和氮，而且能有效去除鹽類與重金屬。美國Envirogen公司開發出一種MBR用于土地填埋場滲濾液的處理，并在新澤西建成一個日處理能力為40萬加侖（約1500m3/d）的裝置，在2000年底投入運行。該種MBR使用一種自然存在的混合菌來分解滲濾液中的烴和氯代化合物，其處理污染物的濃度為常規廢水處理裝置的50 ～ 100倍。能達到這一處理效果的原因是，MBR能夠保留高效細菌并使細菌濃度達到50000g/。在現場中試中，進液COD為幾百至40000mg/L，污染物的去除率達90%以上。