目前，水资源短缺现状亟需有效的污水处理及回用技术，同时，由于水体富营养化等问题，对污水处理中脱氮除磷的要求日趋严格。传统的污水处理工艺以去除污水中的碳源污染物为主，氮、磷的去除效率不高，处理出水水质也难达到回用标准，很难适应上述需求。近年来迅速发展起来膜生物反应器（MBR）工艺，利用膜组件进行固液分离，在污水处理及回用中表现出很多优势。但MBR工艺中磷的生物去除效率不高，而且膜污染问题严重，这阻碍了该技术的进一步推广和应用。为强化MBR生物脱氮除磷性能，本研究首次提出了间歇循环活性污泥-膜生物反应器（ICAS-MBR）工艺，研究了系统的运行特性；针对膜污染问题，本研究采用扫描电镜、原子力显微镜技术对一系列膜污染因素进行了研究，提出了膜面泥饼层微结构对膜污染的作用机制。　　通过连续运行6个月的ICAS-MBR与A/O-MBR对生活污水处理的对比试验，研究了两个系统的去除污染物性能。发现两个系统对有机物的去除率都比较高，达到93％以上；ICAS-MBR系统的除磷效果明显优于A/O-MBR系统，平均去除率达86％，ICAS-MBR出水中总磷含量基本保持在1mg/L以下，除磷效果稳定，而A/O-MBR系统的平均去除率只有62％，且出水磷含量不稳定。ICAS-MBR的平均氨氮的去除率和总氮去除率分别为96％和65%以上，ICAS-MBR系统的总氮去除率比A/O-MBR低10％左右。两个系统对浊度和细菌去除效果都非常的理想，出水浊度均小于1NTU。　　ICAS-MBR脱氮除磷机理研究表明：ICAS-MBR除磷是好氧除磷菌与反硝化除磷菌共同参与的结果。由于从曝气室间歇回流活性污泥混合液到搅拌室室中，在搅拌室中以时间次序交替产生缺氧/厌氧阶段，而曝气室中，始终处于好氧阶段，这样活性污泥中微生物菌群在时间和空间次序上依次经历缺氧/厌氧/好氧阶段。在回流期间，搅拌室逐渐进入缺氧阶段，反硝化除磷菌以回流液中硝酸盐作为电子受体进行反硝化吸磷；回流停止后，搅拌室逐渐进入厌氧阶段，反硝化除磷菌与好氧除磷菌开始释磷。进入曝气室内后，进行好氧超量吸磷，形成“富磷污泥”，系统中磷的去除主要通过排泥得到去除。ICAS-MBR除磷好氧除磷占主导地位，活性污泥厌氧释磷、好氧吸磷和反硝化吸磷速度分别为4.62mgP/(g MLSS· h)、7.25mgP/(g MLSS·h)和5.75mgP/(g MLSS·h)。系统的脱氮主要是由于曝气室的同步硝化反硝化作用和缺氧阶段的反硝化作用。ORP在ICAS-MBR缺氧/厌氧阶段变化显著可以作为指示性控制参数系数。ICAS-MBR系统影响因素及控制研究表明，控制曝气室的溶解氧可以提高同步硝化反硝化作用，减少反硝化脱氮的负荷，改变回流/停止回流时间可以调整系统的脱氮、除磷性能。　　对ICAS-MBR系统中的除磷菌进行了分离、筛选和鉴定，得到6株有吸磷性能的菌株。其中PAO-7的吸磷性能最强。生理生化试验发现菌株PAO-7严格好氧；菌株PAO-16、PAO-17兼性厌氧，具有反硝化功能。将PAO-7的16SrDNA测序信息与Genbank数据比对，其注册号为AY047216，与不动杆菌属中的Acinetobacter haemolyticus相似性达到99%。PAO-7对系统的除磷性能的有良好生物强化作用，接种PAO-7的系统实现了快速启动，启动期间除磷效率提高30%。　　建立了ICAS-MBR系统有机物降解动力学和微生物增殖动力学模型。在本试验条件下求得最大比基质降解速率常数Vmax＝0.5 d-1，基质饱和常数Ks＝74.14mg/L，有机物降解速率常数K=0.006，分析认为，难生物降解的微生物代谢产物在上清液中的累积可能是导致K值低的原因。通过建立的有机质降解模型可以预测上清液中有机物的浓度。求得微生物产率系数Y＝0.452(mgVSS/mgCOD)，污泥衰减系数Kd＝0.047 d-1，可根据微生物增殖动力学模型,通过调整系统的SRT和HRT等参数，使系统保持一定的污泥浓度或预测系统运行时污泥浓度的增长趋势。　　通过对膜面泥饼层微结构、微生物絮体内部形貌观测等一系列膜污染特征的研究，提出了膜面泥饼层微结构对膜污染的作用机制，认为膜在过滤过程中，被过滤液组分会在膜面形成污染层，作为“二次膜”影响膜的过滤性能，二次膜的微结构是影响膜污染的重要因素。在污泥混合液中，较大的微生物絮体相互交叠、聚集可在膜面形成泥饼层，由于微生物絮体的交叠间存在孔道，会保持一定的渗透性，且微生物絮体阻挡了溶解性微生物产物SMP直接附着在膜面，从而减缓膜污染速度。由丝状菌引起的污泥膨胀会导致膜污染加剧，采取交替厌氧/好氧的运行方式可有效抑制MBR丝状菌生长。投加粉末活性炭会改善膜面泥饼层的渗透性。