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无泡曝气膜生物反应器（MABR）是利用气体分离膜作为微生物附着载体并为微生物膜提供氧气，利用微生物的生化特性去除水体中的COD、氨氮等污染物的一种新型污水处理技术。无泡曝气、氧气-底物异向传质和微生物膜分层结构是MABR系统最突出的三个特点，也使得MABR技术具有许多传统生物反应器无可比拟的优点。本论文设计了新型FT-MABR反应器，能够避免水流短路现象的产生，使水流均匀分布且保持水流错流流过中空纤维膜。开展了长期运行实验和跟踪实验，研究水流流速、进水负荷以及C/N对FT-MABR去除COD、氨氮和总氮效果的影响。重点分析水流流速对反应器性能以及脱氮效果的影响。长期运行实验表明，水流流速的提高有利于FT-MABR的抗冲击负荷能力以及对氧气的利用率的提高。高水流流速下，FT-MABR具有优先去除氨氮的能力，脱氮过程倾向于以亚硝酸盐为中间产物的短程反硝化过程。因此，FT-MABR能够在较低C/N下实现高效脱氮。C/N分别为3、5和7时，总氮去除率分别达到50.7%、70.8%和85.6%。FT-MABR适合对低C/N废水进行处理。结合MABR技术、间歇式曝气操作和人工强化生物膜脱落技术，开发出具有强化除磷脱氮功能的新型SMABR技术，对其除磷脱氮效果和操作参数进行了研究，为生物膜过程实现除磷脱氮进行了有意义的探索。SMABR能够创造好氧硝化-厌氧反硝化、释磷/好氧吸磷三个阶段，实现单一反应器内的除磷脱氮。SMABR对COD、氨氮和总磷的去除率分别能达到90%、95%和65%以上。实验首次实现了单一MABR反应器内的强化除磷脱氮。本文还对MABR技术处理真实制药废水的工业化应用进行了研究。结合水解酸化前处理和活性炭吸附后处理工艺，设计建造以MABR工艺为主要处理过程的中试规模制药废水处理系统。开展260天的长期运行实验，对曝气压力、曝气方式、循环流速以及水质水量变化对MABR处理效能的影响进行了研究。MABR过程能够去除制药废水中超过90%的COD和98%的氨氮，单位体积负荷率分别达到1.348kgCOD/m3d和48.2gNH4+-N/m3d，氧气利用率达到43.74%。MABR系统出水指标能够满足天津市污水排放标准。LC/ESI/MS结果表明，MABR对制药废水中多种高分子、难降解污染物均有良好的去除效果。