Na fase de tratamento biológico, as águas residuais entram primeiro na zona de reação bioquímica, onde os microrganismos do lodo ativado adsorvem e decompõem poluentes como matéria orgânica e nitrogênio amoniacal. Como o sistema MBR não depende da sedimentação por gravidade para a remoção do lodo, mas em vez disso utiliza membranas para retenção, uma alta concentração de comunidades microbianas pode ser mantida dentro do reator, tornando o processo de degradação dos poluentes mais completo e estável.
O licor misturado passa então através de módulos de membrana (geralmente membranas de microfiltração ou ultrafiltração). Sob sucção ou pressão, moléculas de água e pequenas moléculas penetram através dos poros da membrana para formar o permeado, enquanto os sólidos suspensos, o lodo e a maioria dos microorganismos são completamente retidos dentro do tanque de reação. Este processo consegue a separação completa da água limpa e do lodo, evitando os problemas de perda de lodo que podem ocorrer nos tradicionais tanques de sedimentação secundária.
Durante a operação, o sistema de aeração limpa continuamente a superfície da membrana para reduzir a adesão de poluentes; e a retrolavagem periódica ou limpeza química restaura o fluxo da membrana. É este mecanismo integrado de “degradação bioquímica + separação física” que permite às membranas MBR alcançar um tratamento de águas residuais eficiente, estável e reutilizável com uma pegada relativamente pequena.