本发明提供了一种反硝化厌氧甲烷氧化微生物富集的系统及其方法，该系统包括：中空纤维膜反应器，所述中空纤维膜反应器包括壳体、设置在所述壳体顶端的上法兰和设置在所述壳体底端的下法兰；所述壳体下部设有进水口，中部设有取样口，上部设有出水口；所述上法兰上设有出气口，所述下法兰上设有进气口；所述壳体内部设有中空纤维膜束，其上端封闭，下端开口且与所述进气口相连；与所述中空纤维膜反应器进气口相连的甲烷供气装置；与所述中空纤维膜反应器进水口相连的供水装置。本发明利用上文所述的系统，加入接种物，依次按照序批模式、连续流模式运行，可以提高甲烷利用效率，缩短反硝化厌氧甲烷氧化微生物的富集时间。