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垃圾渗滤液是难处理的废水，因此一些城镇将其与城市污水合并处理。由于垃圾渗滤液中含有高浓度氨氮，与城市污水混合后会使混合污水的COD/NH4+-N偏低，导致常规生物处理工艺出水TN超标等问题。膜曝气生物膜反应器(MABR)具有氧与机制异向传质的独特性能，在单一生物膜内形成了相互协同的功能分区，有利于低碳氮比污水的脱氮。然而，目前对于不同运行条件下MABR的生物膜功能菌群、结构和传质特性以及脱氮性能尚不清楚。因此，本研究以城市污水与垃圾渗滤液混合污水为对象，开展了MABR的性能和膜曝气生物膜(MAB)特征的研究，以期得到MABR工艺优化的操作参数和明确的运行机理，为工艺的调控提供科学依据。
设计了不同构型膜组件，研究了膜丝间距和膜丝长度，以及膜的供气压力对MABR性能的影响，为后续实验确定了最佳膜丝间距与长度，分别为4.7 mm和70 cm。此外，研究表明，供气压力超过0.06MPa时，新膜的固有阻力增长速率超过供气压力的增长速率。
MABR启动阶段生物膜的形成特性研究表明其形成及生长过程满足传统生物膜生长遵循的S形规律；在生物膜形成初期，多糖的粘附对生物膜形成有重要作用，而随着生物膜的增殖，蛋白质等疏水性物质的增加以及Zeta电位负电性的降低促使生物膜疏水性和静电引力的升高，导致了生物膜后期的生长。同时，负荷不同会导致MAB形成过程和速率不同，负荷为0.157 m3/(m2·d)时的生物膜厚度大于0.079 m3/(m2·d)的厚度，分别为760μm和360μm。
反应器进水水质相同而负荷分别为SLR1(0.157 m3/(m2·d))或SLR2(0.079m3/(m2·d))时，生物膜的底物分布、结构分层和传质分层不同。微电极测定结果表明，生物膜内部溶解氧(DO)浓度与膜的表面负荷(SLR)密切相关，随着SLR的增加，生物膜从内向外形成好氧区、缺氧区和厌氧区。SLR1时生物膜孔隙率和传质系数均高于SLR2的情况，生物膜深度方向上AOB菌的丰度也相应的产生梯度变化。生物膜的结构参数和传质特性间互相联系，SLR1和SLR2时生物膜孔隙率与菌群梯度、DO分布以及传质系数之间的皮尔森系数分别为0.75、0.68和0.82或0.96、0.56和0.95，孔隙率可用于表征生物膜内部的传质情况。SLR1时孔隙率及有效传质系数的拐点基本重合于好氧/缺氧界面，即硝化和反硝化作用在单一生物膜内形成了良好的协同作用。不同的COD/N比和COD或氨氮负荷下，微电极和FISH结果表明，底物(NH4+-N、NO3--N、NO2--N和DO)和菌种在生物膜深度方向上形成了分层结构，可以实现单一 MAB内的同时硝化反硝化。合适的好氧区比例为0.6-0.87之间，适宜的负荷是形成菌种分层的条件。COD负荷高于23.6 g/(m2.d)时在MAB内能形成好氧/缺氧分区结构。
错流速度会影响MABR反应器内部和生物膜附近的流场，总传质阻力是处理效果的控制因素。Fluent模拟表明错流速度增加时，膜丝周围的流速增加，导致边界层厚度降低，传质外部阻力下降。生物膜EPS的含量、分形维数等增加，表现为生物膜密度增加，内部传质阻力增加。流速为4.95 cm/s时，总传质阻力最小，对应的TN去除效果也最好。