为满足长期或永久的遥远星际载人空间任务的需要，受控生态生保系统(Controlled ecological life support system，CELSS)要求近乎100％的物质流闭合度。近年来，包括我国在内的世界航天大国纷纷开展了若干地基CELSS集成试验研究，其中基于生化原理的适于地基CELSS的废水处理工艺日益得到重视。目前，地基CELSS的废水处理有待深入研究，存在亟需解决的关键科学与技术问题，例如:1）基于CELSS对载荷和物质流闭合度的要求，亟需开发结构紧凑、低耗高效的废水处理工艺，使之在时空严格约束条件下既能最大程度地回收利用废水中的水分和氮磷养分，又能最低程度地排放副产物（如气体和剩余污泥）;2)亟需明确基于生化原理的废水处理过程的物质流特性，揭示污染物及元素在气、液、固三相之间的分布和转化规律，从而提高整个CELSS的物质流闭合度。因此，针对上述需求，本研究的目的就是通过系统分析地基CELSS废水的特性（水质和水量）及处理与利用要求，开展基于膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)的组合工艺在地基CELSS废水处理中的研究与应用。主要结论如下:　　1)首次开发了以“厌氧膜生物反应器(Anearobic membrane bioreactor,AnMBR)+好氧膜生物反应器”为核心的组合工艺。以模拟废水为对象，通过实验室研究，明确了地基CELSS废水处理过程中主要污染物的去除转化特征和碳、氮、磷、硫等物质流特性。为中国航天员科研训练中心研制了密闭生态循环系统试验平台废水处理系统，并成功应用于“绿航星际——4人180天受控生态生保系统集成试验”。　　2)优化了AnMBR在水解酸化条件下的微曝气操作参数，解决了表面活性剂的持续积累，保障了组合工艺的稳定运行。为严格控制生物气的产生，AnMBR被设定在水解酸化状态下运行。试验研究发现，废水中表面活性剂和有机物在AnMBR内出现持续积累，严重影响组合工艺的稳定运行。针对上述问题，开发和优化了AnMBR的微曝气操作条件。结果表明，微曝气促进了有机物和表面活性剂大分子团的分解和微生物的活性，AnMBR内混合液表面活性剂和溶解性化学需氧量(soluble chemical oxygen demand，SCOD)浓度从9000mg/L和35000mg/L以上迅速降低至2000mg/L和12000mg/L附近，其初期降解动力学符合零级反应特征。　　3)揭示了AnMBR-MBR组合工艺处理废水过程的微生物群落特征。高通量测序分析结果表明，微曝气水解酸化条件下，AnMBR内的优势细菌属为Aquamicrobium、Flaviflexus、Thiopseudomonas和Pseudomonas，其中Thiopseudomonas为没有微曝气时不存在的细菌种群。基于KEGG数据库的功能分析表明，微曝气促进了AnMBR内细菌的环境适应性、转录和翻译、复制和修复、细胞膜运输，增强了细菌对脂肪、氨基酸、外源性物质等的代谢能力，这是表面活性剂和有机物得以迅速降解的原因所在。MBR内的优势微生物菌纲为Alphaproteobacteria和Betaproteobacteria。定量PCR分析表明，所有MBR污泥样品中的四个硝化过程关键基因(amoA、hao、nxrA和nxrB)均在1.2×106copies/μg DNA以上，这与其良好的完全硝化效果相一致。　　4)明确了AnMBR-MBR组合工艺处理废水过程的物质流特性。在优化的系统工况下，系统产水的总有机碳（total organic carbon，TOC）、表面活性剂、氨氮(NH4+-N)和亚硝酸盐氮(NO2--N)浓度分别低于10mg/L、0.15mg/L、4mg/L和1mg/L，硝酸盐氮(NO3--N)浓度高于700mg/L，占总氮（Total nitrogen，TN）比例在99％以上。物质流分析结果显示，废水处理系统每产出1L净水，需要消耗品（碳酸氢钾和膜）5.12g;向外排放剩余污泥4.82mL（以干泥计为0.037g），排放5.22×10-3g氨气和1.64×10-3g甲烷，实现了时空约束条件下高水回收率、有机物高效去除、营养元素高度保留、安全经济的废水处理目标。