与许多传统的生物水处理工艺相比，MBR 具有以下主要优点：
出水水质优质稳定：
由于膜的高效分离作用，分离效果远好于传统沉淀池，处理出水极其清澈，悬浮物和浊度接近于零，细菌和病毒被大幅去除，出水水质优于建设部颁发的生活杂用水水质标准（CJ25.1-89），可以直接作为非饮用市政杂用水进行回用。
同时，膜分离也使微生物被完全被截流在生物反应器内，使得系统内能够维持较高的微生物浓度，不但提高了反应装置对污染物的整体去除效率，保证了良好的出水水质，同时反应器对进水负荷（水质及水量）的各种变化具有很好的适应性，耐冲击负荷，能够稳定获得优质的出水水质。
剩余污泥产量少：
该工艺可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低（理论上可以实现零污泥排放），降低了污泥处理费用。
占地面积小，不受设置场合限制：
生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，占地面积大大节省；该工艺流程简单、结构紧凑、占地面积省，不受设置场所限制，适合于任何场合，可做成地面式、半地下式和地下式。
可去除氨氮及难降解有机物：
由于微生物被完全截流在生物反应器内，从而有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留生长，系统硝化效率得以提高。同时，可增长一些难降解的有机物在系统中的水力停留时间，有利于难降解有机物降解效率的提高。
操作管理方便，易于实现自动控制：
该工艺实现了水力停留时间（HRT）与污泥停留时间（SRT）的完全分离，运行控制更加灵活稳定，是污水处理中容易实现装备化的新技术，可实现微机自动控制，从而使操作管理更为方便。
易于从传统工艺进行改造：
该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元，在城市二级污水处理厂出水深度处理（从而实现城市污水的大量回用）等领域有着广阔的应用前景。
膜生物反应器典型应用：
应用于高浓度、有毒、难降解工业污水的处理
造纸废水处理及回用
制糖废水处理及回用
氨基酸废水处理及回用
酒精废水处理及回用
皮革废水处理及回用
合成脂肪酸废水处理及回用
洗车废水处理及回用
酒店废水处理及回用
流动公厕废水处理及回用
垃圾填埋渗滤液的处理及回用
生活污水处理及回用
度假区、旅游风景区污水处理及回用
城市污水处理厂处理工艺升级
自来水厂饮用水水源中微量污染物去除的应用