I det biologiska reningsskedet kommer avloppsvattnet först in i den biokemiska reaktionszonen, där mikroorganismer i det aktiva slammet adsorberar och bryter ned föroreningar som organiskt material och ammoniakkväve. Eftersom MBR-systemet inte förlitar sig på gravitationens sedimentering för slamavlägsning utan istället använder membran för retention, kan en hög koncentration av mikrobiella samhällen upprätthållas i reaktorn, vilket gör nedbrytningsprocessen för föroreningar mer komplett och stabil.
Den blandade luten passerar sedan genom membranmoduler (vanligtvis mikrofiltrerings- eller ultrafiltreringsmembran). Under sug eller tryck tränger vattenmolekyler och små molekyler genom membranporerna för att bilda permeat, medan suspenderade fasta ämnen, slam och de flesta mikroorganismer hålls helt kvar i reaktionstanken. Denna process uppnår fullständig separation av rent vatten och slam, vilket undviker slamförlustproblem som kan uppstå i traditionella sekundära sedimenteringstankar.
Under drift spolar luftningssystemet kontinuerligt membranytan för att minska föroreningsvidhäftningen; och periodisk bakspolning eller kemisk rengöring återställer membranflödet. Det är denna integrerade mekanism av "biokemisk nedbrytning + fysisk separation" som gör det möjligt för MBR-membran att uppnå effektiv, stabil och återanvändbar avloppsvattenrening med ett relativt litet fotavtryck.