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膜生物反应器(MBR)是近些年出现的一种新型的污水处理与回用工艺，其在城市生活污水、难降解有机废水处理和生物脱氮方面有着独特的优势。但目前这一工艺无论从技术上还是经济上讲，还存在未克服的难题，技术上存在膜污染、操作条件不合理、应用范围相对较窄等问题，经济上存在一次性投资高且运行费亦高等缺点。基于这种现状，本论文采用平片式MBR及MBR复合工艺对城市生活污水、尿液污水、城市二级出水和人工配制的废水进行处理试验研究。通过本论文的研究可以全面考察MBR对这些废水的处理效果、机理、存在的问题和解决方法，为MBR在这些废水处理中的应用提供有价值的理论依据和经验。
论文在与传统活性污泥法(CAS)比较的基础上，对MBR及MBR复合工艺处理废水过程中的污泥特性、基质降解动力学、膜过滤特性和膜污染机理等方面进行了详细的考察和研究。并将该工艺应用于城市生活污水、尿液污水和城市二级出水的处理，对处理过程中的有机物去除特征、硝化反硝化效果、其它污染物的去除特征、操作条件的影响和膜污染机理与防治进行了详细的分析和研究。其主要研究结果如下：
(1)以MBR和CAS工艺处理城市生活污水，主要从污染物去除特征、污泥的物理特征、上清液有机物含量与分布、污泥活性和微型动物等几个方面进行了比较研究。实验表明MBR系统对污染物的去除率高于CAS系统，出水可回用；两者的污泥的物理特征差异较大，在50～140d期间，MBR中没有发现上清液有机物的明显积累现象，上清液中以分子量大于14Kda的有机物为主，体现了膜的高效截留作用；污泥耗氧速率均随系统运行呈下降趋势，并且MBR中的污泥耗氧速率大于CAS的相应值；MBR中随运行时间的顺序，优势微型动物种群呈现从动物性鞭毛虫→水蚤和轮虫→转轮虫和线虫的演替规律，而CAS系统中变化不明显。
(2)通过动力学推导得到了MBR中的有机物和氨氮降解动力学模型，采用平片膜生物反应器处理人工配制的生活污水，确定了相应的动力学参数。通过实验得到了相关动力学参数Ks=264.04mgCOD·L-1， vmax=2.01d-1，K=0.0076L·d-1·mg-1COD，y=0.44mgMLSS·mg-1COD，Kd=0.021d-1，KN=0.061d-1。实验表明该动力学方程能较好地预测膜生物反应器的出水水质状况，本研究所获动力学关系和动力学参数可作MBR系统设计的依据。
(3)以PVDF超滤膜过滤活性污泥，最初很短时间内膜污染受膜孔堵塞模型控制，之后受沉积层阻力模型控制，后一阶段是膜污染的主要控制阶段；膜的相对通量随过滤时间呈指数衰减趋势，压力增大，通量衰减指数也随之增大；存在污泥压密过程，压力越大，污泥比阻越大，得到处理城市生活污水的活性污泥的压密指数为0.8078；沉积层阻力占总阻力的90％以上，是膜过滤污染阻力的主要组成部分；活性污泥各组分对膜污染均有贡献，其中悬浮固体物质产生的阻力占87.98％，胶体颗粒和溶质产生的阻力较小；可以把膜污染过程分为三个阶段，各个阶段的膜污染机理和控制因素各不相同。
(4)以中试规模的MBR系统处理城市生活污水。在更短的水力停留时间下，MBR依然有着比CAS更为稳定优良的有机物去除效率，有机物去除率大于90％(COD为93.07％，BOD5为99.08％)；相比较CAS，MBR容积负荷率高，污泥负荷率低，体现出较强的抗冲击负荷能力；试验得到的适宜的去除NH4+-N的条件为水温25±5℃，HRT6h，SRT30d，pH值7.5±0.5等，在此条件下MBR平均出水NH4+-N浓度为0.69mg/L，平均去除率达97.3％；对MBR系统进行技术和经济性分析表明，该工程单位投资为3000元/(m3·d)，运行成本为1.51元/m3，在技术和经济上均是可行的。
(5)采用缺氧-好氧MBR工艺处理尿液污水。系统对NH4+-N和COD的平均去除率分别为79.5％和75.1％，对BOD5的去除率＞95％，对色度有一定的去除能力，出水经PAC脱色后色度为8倍；投加适宜的碱度可以提高NH4+-N的去除率；同时在高NH4+-N负荷下亚硝酸型硝化速率大于硝酸型硝化速率，两者速率的差异导致出水NO2--N的积累；好氧池存在COD积累现象，随着时间的推移COD含量有一定的下降，说明随着系统运行，MBR中会逐步驯化和培养出适于去除难降解有机物的菌种；改性PVDF超滤膜处理尿液污水，前期以膜内表面生物污染为主，碱洗效果好；后期以膜外表面沉积层引起的膜污染为主，通过表面擦拭再碱洗膜污染清除效果较好。
(6)采用投加PAC的MBR系统对城市二级出水进行深度处理。系统对TOC的去除率为42.6％， NH4+-N的去除率大于95％，浊度的去除率约为92％；投加PAC极大地提高了系统对有机物的去除率，而对NH4+-N和浊度的去除无显著影响，PAC、膜分离和生物降解对有机物的去除率分别为31.62％、1.83％和9.11％；投加PAC有效地减缓了MBR中的膜污染，使得膜污染缓慢发展阶段的历时时间延长了一倍左右，并使膜过滤污泥的凝胶极化阻力和总阻力分别减小40.5％和17.4％；投加PAC改变了污泥形态，使污泥沉降性能变好，粘度降低，污泥比耗氧速率增加，这些变化可能是使系统性能提高的主要原因；以MBR处理城市二级出水存在贫营养营养问题，使得系统的污泥泥浓度随时间运行呈下降趋势，投加PAC一定程度上解决了这一问题。