Fungsi inti membran MBR adalah menggabungkan pengolahan biologis dengan teknologi pemisahan membran, sekaligus mencapai degradasi polutan dan pemisahan padat-cairan yang efisien selama pengolahan air limbah, sehingga menggantikan proses tangki sedimentasi sekunder tradisional.
Fungsi paling penting dari membran MBR adalah pemisahan cairan-padat yang efisien. Ini sepenuhnya memisahkan lumpur aktif dari air yang diolah melalui membran mikrofiltrasi atau ultrafiltrasi, sehingga menghasilkan limbah yang hampir bebas dari padatan tersuspensi dan partikel lumpur. Metode pemisahan ini lebih menyeluruh dibandingkan sedimentasi tradisional, menghasilkan kualitas limbah yang lebih stabil dan secara efektif menghindari fluktuasi pengolahan yang disebabkan oleh penggumpalan lumpur.
Membran MBR secara signifikan meningkatkan efisiensi pengolahan biologis. Karena modul membran dapat menahan lumpur sepenuhnya di dalam reaktor, sistem dapat mempertahankan konsentrasi lumpur yang lebih tinggi dan umur lumpur yang lebih lama, sehingga meningkatkan kapasitas degradasi polutan organik, nitrogen amonia, dan polutan lainnya. Hal ini membuat sistem pengolahan biologis secara keseluruhan menjadi lebih kuat dan dapat mengurangi jejak kaki secara signifikan.
Membran MBR juga memiliki fungsi penggunaan kembali limbah dan pemulihan sumber daya. Air yang diolah oleh MBR biasanya memenuhi standar tinggi dan dapat langsung digunakan untuk penggunaan air lain-lain di kota, irigasi penghijauan, atau penggunaan kembali untuk industri. Di wilayah dengan sumber daya air yang langka atau standar emisi yang ketat, teknologi MBR telah menjadi pendekatan teknologi penting untuk pengolahan dan penggunaan kembali air limbah tingkat lanjut.