传统的生物脱氮工艺或是在分隔的具有不同溶解氧浓度的反应器中进行，或是在时间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行。这样的工艺存在需进行硝化液回流或外加有机碳源和补充碱度，运行费用高，占地面积大，投资高等问题。针对这些问题，本论文提出了一种新型的膜生物反应器——内循环式膜生物反应器，使曝气不仅为处理过程提供必需的溶解氧，而且实现脱氮过程中必要的混合液回流，实现了脱碳、脱氮过程在一个单体设备中完成。本课题以模拟生活污水为处理对象，经过近一年的连续运行，考察了不同运行条件下反应器的脱氮和除碳过程，优化了运行条件。在水力停留时间为12h，污泥龄为45d，温度为22～25℃，pH值在7.0～8.0之间，曝气速率为80L／h，进水污泥负荷低于0.040kgNH₄⁺-N／（kgMLSS·d）条件下，反应器的出水氨氮浓度大部分时间维持在8.0mg／L以下，对氨氮的去除率达到89％，对总氮的去除率在78％左右，出水COD浓度基本维持在40.0mg／L以下，去除率在90％以上。同时，通过氮平衡实验反映出系统对氮的去除大部分是气态形式去除的，达到真正的脱氮目的。当进水氨氮污泥负荷超过0.050kgNH₄⁺-N／（kgMLSS·d）时，系统变得很不稳定，容易在短时间内形成氨氮和亚硝酸盐氮的积累。实验研究表明，反应器内具有较明显的同步硝化反硝化过程。本课题从其作用机理、影响因素和动力学过程三个方面进行了分析研究。生物絮体的微环境和反应器的宏观环境共同促成了系统同步硝化反硝化过程的发生。进水C／N比和曝气速率对同步硝化反硝化效果有明显的影响。进水C／N比为10，曝气速率为80L／h时，可达到最佳的同步硝化反硝化脱氮效果。本研究还建立了同步硝化反硝化反应动力学模型，从量化的角度了解了同步硝化反硝化现象。本系统内活性污泥浓度增长较为缓慢，VSS／SS值随运行时间的延长而下降，由0.869降至0.752。污泥体积指数随运行条件的变化而变化。本系统的微生物硝化活性比传统活性污泥系统高，可达到0.0373kgNH₄⁺-N／（kgMLSS·d）。反硝化活性比无氧条件下低，为0.0266 kgNO_X^--N／（kgMLSS·d）。通过分析过膜阻力的变化情况可以看出，与传统膜生物反应器相比，内循环式膜生物反应器还可减轻膜污染。