本发明涉及一种基于碳源高效利用的A²/O-MBR复合处理系统及方法，属于污水处理技术领域。主要包括厌氧池、第一缺氧池、好氧池、消氧池、第二缺氧池和膜池，其中厌氧池与第一缺氧池连接，第一缺氧池与好氧池连接，好氧池与消氧池连接、消氧池与第二缺氧池连接、第二缺氧池与膜池连接。本发明针对高排放标准城镇污水处理厂的强化脱氮需求，通过在传统A²/O与MBR复合工艺系统中增设消氧池和缺氧池，利用消氧池消除回流硝化液中溶解氧对工艺脱氮的不利影响，并充分利用缺氧池的内源反硝化作用，实现碳源的高效利用和强化工艺脱氮。本发明具有碳源利用效率高、脱氮除磷效果好、出水水质好、抗冲击负荷能力强、节能降耗作用显著等优点。