膜曝气生物膜反应器(MABR)是一种新颖的膜生物反应器系统，其突出特征是无泡曝气和氧与底物的异向传质导致的功能活性分层，对含高氨氮和高挥发性有机污染物废水的处理具有明显优势。然而，目前对MABR系统内生物膜特性、理化和流变特性等尚不清楚，导致MABR不能成功启动和稳定运行。本研究以乙腈为模型污染物，系统开展了MABR处理乙腈废水的性能和异向传质膜曝气生物膜的理化、流变特性、胞外聚合物组成与分布以及生物膜微生物群落结构变化等研究，解析膜曝气生物膜行为特征，以期为实现有效的MABR工艺调控提供科学依据。　　 通过研究发现，低进水表面负荷是MABR系统生物膜形成的关键条件，生物膜疏水性、粘合性胞外聚合物(bEPS)、粘合性蛋白质/粘合性多糖比值及表面电荷是影响生物膜形成的主要因子，而碳缺乏诱导、DLVO静电引力和蛋白质因子粘附是生物膜粘附的驱动力和形成机制。在此基础上，提出了MABR内生物膜快速培养与反应器快速启动方法。　　 乙腈(ACN)是一类高挥发性的毒性有机氮化合物，由于其水质的特殊性，常规方法和工艺处理的有效性不高，同时传统曝气导致其逸散会对周边空气产生污染，而且生物降解产生的氨氮需要复杂的系统进一步处理才能排放。本论文采用MABR处理乙腈废水，其无泡曝气特性可避免传统曝气导致的乙腈挥发；氧和底物异向传质使膜曝气生物膜内产生双向浓度梯度，有利于具有活性分层的降解、硝化、反硝化作用的一体式功能生物膜的形成。试验结果表明，MABR内硝化.反硝化过程是短程硝化反硝化与传统硝化反硝化共同存在的体系，控制生物膜厚度平均为1600μm，可形成好氧/缺氧/厌氧活性分区。在表面负荷为11.92g/m2·d，上升流速为12 cm/s，氧过膜压力为2.1 psi时，MABR获得了几乎完全的乙腈去除率，大约98.6％的TOC和83.3％的TN被去除。研究了关键操作条件，如表面负荷、溶解氧分布和上升流速等，对MABR处理性能影响和各功能微生物群落的空间分布，确定出MABR运行操作参数的最佳控制值。　　 针对膜曝气生物膜(MAB)与传统生物膜的氧和底物传质差异，系统研究了异向传质膜曝气生物膜特性。通过对不同厚度MABs对比试验，发现异向传质MAB内EPS组成和分布、微生物活力、分形维数、疏水性、粘性、密度和表面电荷等微生物、理化、流变及表面特性的变化和分布差异显著。异向传质MAB的表面特性与EPS分布及蛋白质与多糖比值呈正相关；溶解氧分布对EPS特性和分布有重要影响；EPS分布与MAB微生物群落之间具有关联性；在厚的MAB内，氨氧化菌分布在载体膜附近生物膜内侧好氧区域，反硝化菌生长在生物膜中间缺氧区域，乙腈降解菌主要富集在生物膜外侧厌氧区域。