生物膜內部會自然形成溶解氧梯度：

外層好氧區：硝化細菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽/硝酸鹽（NH?? → NO?? → NO??）。

內層缺氧區：反硝化細菌利用硝酸鹽作為電子受體，將其還原為氮氣（NO?? → N?↑）。

這種“同步硝化與反硝化（SND）"是 MBBR 優于傳統活性污泥法的重要原因

生物膜中的異養菌分解有機物（BOD/COD），提供反硝化所需的電子供體。由此在一個反應器中實現了碳循環與氮循環的耦合。

生物膜結構能穩定微生物群落，使系統能夠承受水量和有機負荷沖擊。這讓 MBBR 在處理水質波動較大的工業廢水時表現尤為可靠。