MBR一體化污水處理設備的核心部件是膜生物反應器（MBR），它是膜分離技術與生物技術有機結合的新型廢水處理技術。
污水進入MBR系統。其中工作原理是在*，由于污水有機物濃度很高，微生物處于缺氣狀態，此時微生物為兼性微生物，它們將污水中的有機氨轉化分解為NH3-N，同時利用有機碳作為電子供體，將NO2ˉ-N、NO3ˉ-N轉化為N2，而且還利用部分有機碳源和NH3-N合成新的細胞物質。所以*池不僅具有一定的有機物去功能，減輕后續好氧池的有機負荷，以利于硝化作用的進行，而且依靠原水中存在的較高濃度有機物，完成反硝化作用，消除氮的富營養化污染。在O級，由于有機物濃度已大幅度降低，但仍有一定量的有機物及較高的NH3-N存在。為了使有機物得到進一步氧化分解，同時在碳化作用處于完成情況下硝化作用能順利進行，在O級設置有機負荷較低的好氧生物接觸氧化池。在O級池是主要存在好氧微生物及處氧型細菌（硝化菌）。其中好氧微生物將有機物分解成CO2和H2O；自養型細菌（硝化菌）利用有機物分解產生的無機碳或空氣中的CO2作為營養源，將污水中的NH3-N轉化成NO2ˉ、NO3ˉ,MBR池的出水部分回流到*池，為*池提供電子受體，通過反硝化作用消除氮污染。，MBR膜區使用PVDF膜將活性污泥和大分子有機物質截留住，省掉二沉池。活性污泥濃度因此大大提高，水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）可以分別控制，而難降解的物質在反應器中不斷反應、降解。進一步處理之后，被處理水可以達標排放或回用。此外，輸送到MBR系統中的空氣也是處理過程中非常重要的一部分，它可以促進反應器中流體的循環流動，提高活性污泥的降解效率，還可以使中空纖維膜膜絲之間發生相互摩擦，清潔膜組件。
