一种膜分离装置（1）包括：膜单元（3），该膜单元包括沿生物反应器（10）的深度方向堆垛的多个膜模块（2）；空气扩散部件（4），该空气扩散部件布置在膜单元（3）的下方，以便使用于膜清洁的空气朝着膜单元（3）扩散；以及气泡组分离部件（5），该气泡组分离部件布置在膜单元（3）和空气扩散部件（4）之间并且将从空气扩散部件（4）供给的气泡组（401）分离成多个气泡组（402）。气泡组分离部件（5）的直径比空气扩散部件（4）的直径大，并且气泡组分离部件包括与空气扩散部件（4）的轴线平行布置的三维形状的阻碍部件。气泡组分离部件（5）的竖向截面的底部形成为朝下凸出的三维形状。例如，气泡组分离部件（5）的竖向截面的顶部部分为三角形形状，而底部半部为半圆形形状。