膜曝气生物反应器（MBfR）是一种膜曝气法水处理技术,具有无泡曝气、气体利用率高、异向传质等特点。目前,MBfR已被应用于好氧甲烷氧化耦合反硝化（AME-D）过程,以甲烷作为气体碳源,通过好氧甲烷氧化生成中间产物为反硝化过程提供碳源。然而,甲烷基质MBfR存在脱氮效能低、生物量不稳定等问题,制约了其实际应用。本文以甲烷基质MBfR为研究对象,通过在中空纤维膜上负载柱状聚氨酯海绵作为载体,研究膜表面载体强化手段对生物膜性能与系统脱氮效能的强化作用;对载体强化型MBfR在连续流运行下的效能进行研究,分析生物膜形成过程、微生物群落变化与水力冲击对反应器运行效能的影响,确定最优的载体强化方案;研究了载体强化型MBfR中间产物代谢行为,以及功能微生物群落结构变化特征,分析了载体强化型MBfR脱氮效能提升的内在机制。研究了膜表面载体强化手段对MBfR脱氮效能的影响。对比不同载体强化型MBfR内生物膜性状与反应器运行效能,分析了不同载体强化手段对生物膜以及脱氮效能的强化作用。结果表明:载体强化型MBfR生物量及脱氮效明显提高,在孔隙密度为50 ppi、60 ppi载体条件下,生物量最大分别提升350%、600%;硝态氮去除速率分别提升101.5%、13.8%;ΔC/ΔN分别降低62.9%、59.6%。研究了强化型MBfR连续流运行下的处理效能行为与影响因素。通过对生物膜形成过程的分析、运行效能的研究,确定了载体强化手段与脱氮效能提升的相关性。50 ppi密度载体提高生物富集速度,促进疏松多孔的生物膜形成,ΔC/ΔN是对照组的0.27倍,γ-变形菌纲与β-变形菌纲丰度最大提升38.3%、22.6%,优化功能菌群丰度,能够有效抵抗水力冲击负荷。分析了强化型MBfR脱氮效能提升的内在机制。通过解析中间产物代谢规律,研究了载体强化手段对功能微生物的种类与丰度的影响;对酶活性、功能基因丰度进行分析,探究强化型反应器效能提升的微生物机制。载体的存在通过调节功能微生物丰度,促使优质中间产物释放,提升功能基因绝对丰度与酶活性,提升好氧甲烷氧化耦合反硝化效能。载体强化手段能够实现甲烷基质MBfR污染物的高效降解与气体碳源的高效利用,对甲烷基质MBfR技术的工程应用与推广具有重要意义。