膜曝气生物膜反应器（MABR）是一种新型高效的生物膜法水处理工艺,因其无泡曝气的高传氧效率、高污染去除率和低污泥处理成本的优点,被广泛的应用于各类污水的处理。然而MABR仍存在生物膜生物量不足、去除机理不明及缺乏经济有效的处理效能强化手段的问题,而这些问题限制着MABR的广泛应用。针对上述问题,本研究设计了错流式MABR反应器,以模拟污水为研究对象,主要应用16s RNA测序技术、新型原位表征技术和数学模型等技术方法,研究MABR的生物量变化、在污水成分胁迫下和膜表面粗糙度变化下的生物响应情况和微生物群落演替。本论文实验结果表明,无纺布MABR系统表现出可靠的污染物去除效率。C/N比与生物膜厚度之间存在明显的正相关关系。因为在高C/N比条件下,好氧异养菌和反硝化细菌的丰度会增大。但较高的C/N比会影响NH4-N的去除,因为硝化细菌在氧气竞争中处于劣势。较高的进水盐度能略微促进生物膜的生长。然而,由于高盐度对好氧异养菌活性的抑制作用和硝化细菌丰度的降低,这会导致有机物污染物去除率下降和硝化效果恶化。模型预测结果显示,当进水C/N比保持在1至3范围内且盐度低于2%时,可同时实现COD和NH4-N的高去除效率。热压改性膜组件具有粗糙且有利于保留生物质的表面结构,同时还能稳定保持膜表面疏水性以实现高传氧效率。改性膜上生长的生物膜厚实且附着稳定,提高了微生物对养分和氧气的获取。因此,实验组MABR在TN去除方面表现出卓越的性能（＞80%）,长期运行后的膜表征显示改性膜具有稳定性,不会出现严重的膜污染现象。实验组中使用的改性膜有利于形成稳定的生物膜,建立具有协同作用的高效反硝化微生物群落。OLB8细菌被认为在增强反硝化过程中起关键作用。在运行过程中的启动期,在MABR中观察到独特的浑浊和处理效果波动现象,而这可能与基于群体效应的细菌活动有关。这些结果不仅解释了不同C/N比和盐度下MABR效能变化和微生物群落演替机制,证明了使用热压膜组件来强化MABR的工艺性能的可行性,而且还为MABR在不同进水条件下强化其处理效能提供了系统的策略,为用于可持续废水处理的低成本、高性能的膜技术提供了行之有效的方法。