针对膜生物反应器的膜组件易污染，清洗过程复杂、膜组件寿命短的问题，本发明提供一种外置式双级膜生物反应器，包括生物反应池、初级过滤器和膜分离器件，初级过滤器置于生物反应池的内部，膜分离器件置于生物反应池的外部，污水在生物反应池由微生物分解处理，经过初级过滤器过滤后再进入膜分离器件分离得到清液。本发明通过初级过滤器将膜组件与大粒径污染物分隔，截留富含微生物的活性污泥和大分子，显著降低了对膜组件的污染，不仅可以减少清洗膜组件的曝气和反冲洗所需的能量和净水，避免水泵高速旋转剪切力使微生物失活，而且可以提高膜通量和产水量，延长膜组件的使用寿命，降低了运行和维护成本。