O Tratamento Biológico, associado a membrana de ultra-filtração, também remove substâncias coloidais e dissolvidas dos efluentes. As bactérias oxidam matéria orgânica em dióxido de carbono, metabolizando a biomassa e absorvendo a matéria em sua superfície. Algumas bactérias eliminam os nutrientes, nitrogênio e fósforo, sob condições especiais durante o processo de tratamento.

O processo MBR é particularmente eficiente para o tratamento de efluente. O mesmo é realizado em biorreatores (os mesmos necessários em processos convencionais de lodo ativado) entretanto os decantadores (que ocupam áreas muito grandes) são substituídos por filtros de membrana. Deste modo, a concentração de biomassa nos tanques de aeração pode aumentar num fator de 3 a 4, onde tanques menores são suficientes para a remoção da mesma carga orgânica. O Efluente tratado é chamado de permeado, após a passagem através das membranas de ultra-filtração, onde são retidos os sólidos suspensos. As Membranas de Ultrafiltração retém também todas as bactérias, produzindo um efluente tratado desinfetado, livre de patógenos.

As membranas MBR são usadas preferencialmente onde o espaço disponível para implantação da estação é reduzido, (pois o processo MBR necessita de um espaço menor) ou quando se necessita de um efluente tratado de excelente qualidade, por exemplo, quando o descarte é feito diretamente em corpos d’água sensíveis ou quando é necessário a reciclagem (reuso) da água, como para irrigação, etc.