曝气是好氧生化处理污水工艺的重要操作单元,而传统曝气方式充氧效率低致使过程动力消耗大、运行成本高。近年来人们利用气体分离膜作为曝气单元同时也作为微生物的载体,大大提高了氧气的利用效率,但也存在膜的比表面积小和污染严重的问题需要克服。本论文提出一种新型的填料耦合膜曝气生物膜反应器（Filler and Membrane Aeration Biofilm Reactor,FMABR）,旨在利用多孔膜为曝气单元,以填料为微生物载体,采用极近距离曝气的方法,全面提高氧利用率以及单位污染物处理强度。实验从氧传递原理出发,研究极近范围内氧气的扩散与分布和液体扰动对溶解氧浓度分布的影响规律,探究管式膜和中空纤维膜充氧性能的差异并指导设计填料与曝气膜的耦合形式,设计流态示踪实验研究反应器内的水力学性能,通过生物实验研究耦合反应器的污水除碳脱氮性能,最后对耦合过程不同位点的曝气膜表面附着和填料负载的微生物种群的综合分析。主要结果如下:（1）在距离曝气膜表面0.01 m内,溶解氧浓度分布差异较大。延长扩散时间和缩短扩散距离均可以提高极近距离内的溶解氧浓度,但扩散距离的变化对溶解氧分布影响更大,在曝气膜和填料耦合形式的设计中需要极限缩短填料与曝气膜间的距离。增加液体扰动强度和曝气压力（曝气量）可以迅速提高曝气膜极近距离内的溶解氧浓度,对于中空纤维膜曝气,液体扰动强度的变化对溶解氧浓度的影响更为明显;而对于管式膜曝气,充氧能力与曝气量成正比。二者对比发现,管式膜的单位面积充氧能力约为中空纤维膜的3-5倍。（2）加入填料后能够明显弱化耦合反应器内的短流现象,死区分率降低了6.95%-17.47%,有效容积率提高1.73-2.29倍。理论串联全混流反应器个数与水力停留时间成正相关,延长水力停留时间可以使流体流态趋向平推流。（3）无填料的中空纤维膜曝气生物膜反应器（RM）和填料耦合中空纤维膜曝气生物膜反应器（RFM）均具有较高的除碳脱氮性能。与RM对比,RFM的最终COD和NH4+平均去除率分别提高了5.97%和5.15%,最大COD和NH4+去除负荷分别提高了4.88%和11.76%,且长期运行后膜丝膜污染程度减少了8%-26%。（4）填料耦合管式膜曝气生物膜反应器中,随着单位膜面积填料量的增加,污染物去除效果提高,膜污染程度下降。与单位膜面积填料量最少的反应器（R0.5反应器）对比,单位膜面积填料量最多的反应器（R2反应器）最终阶段COD和NH4+平均去除率分别提高了10.71%和27.85%,最大COD和NH4+去除负荷分别提高了16.59%和33.33%。反应器内溶解氧浓度控制在2 mg/L以上且几乎无硝氮和亚硝氮积累表明反应器内存在着同步硝化反硝化和好氧反硝化现象。反应器内存在明显的浓度梯度,距离进水口最近的区域对COD和NH4+去除的贡献度最大,分别为59%-79%和35%-70%,这对缩短水力停留时间和减少反应器体积具有参考意义。（5）相同处理效果下,管式膜FMABR的单位膜面积最大污染物去除负荷为中空纤维膜FMABR的54倍,填料用量仅为中空纤维膜的42.7%。同时曝气膜类型和耦合反应器内空间位置对微生物多样性和群落结构表现出较强的选择性。与中空纤维膜FMABR相比,管式膜FMABR中的微生物菌群种类更多且与接种污泥相似度更高。变形菌门（Proteobacteria）作为除碳脱氮主要功能菌群是所有反应器（除R2反应器外）的优势菌门;而R2反应器内的优势菌群为厚壁菌门（Firmicutes）,表明R2反应器拥有良好的抵抗恶劣环境的能力。管式膜FMABR中的主要优势菌属为明串珠菌属（Trichococcus）和球衣菌属（Sphaerotilus）,且Trichococcus适宜生长在高DO的区域,而Sphaerotilus则更适合在低DO区域富集。中空纤维膜FMABR中的优势菌属Nakamurella使得该类型反应器具有高效稳定的氨氮去除效果。曝气膜表面生丝微菌属（Hyphomicrobium）的存在证明反应器内存在好氧反硝现象。本文通过研究曝气膜的充氧性能和液相主体中的氧传质规律设计填料和曝气膜的组合形式,从反应器实际运行性能、膜污染程度、微生物群落结构等多角度为填料耦合膜曝气生物膜反应器在污水处理的应用提供理论依据和技术支撑。