本发明涉及甲烷与含硫含氮废水协同处理的膜生物处理设备及其方法。本发明的设备是由内部安装有多个气体膜组件的气体膜分离容器、用于容置甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌附着的填料及悬浮液的环流式氧化容器、用于容置含有脱氮硫杆菌的悬浮溶液的升流式再生容器、固液分离容器和气体导流容器构成。在环流式氧化容器甲烷被氧化，硫酸盐被还原；气体膜组件的分离作用，使未及时氧化的甲烷回流至环流式氧化容器继续被氧化，使硫酸盐还原产物硫化氢进入升流式再生容器被硝酸盐氧化为硫酸盐，成为再生的氧化剂，同时硝酸盐被还原为氮气，实现甲烷废气与含硫含氮废水在两个生化反应区协同有效地处理。本发明的设备结构紧凑、能耗低、操作简单。