本发明涉及一种光催化后置的内循环厌氧流化膜生物反应器，包括反应筒、气提筒、三相分离器和膜组件，在所述的反应筒的底部设置有进水管与进气管；所述膜组件为负载有纳米二氧化钛颗粒的圆筒形陶瓷膜，或所述膜组件为外表挂设有二氧化钛轻质颗粒网的中空纤维超滤膜。本发明还公开一种上述反应器的工作方法。本发明将内循环厌氧处理技术和二氧化钛光催化技术相结合，结合了厌氧膜生物反应器和光催化反应器的优点，使得出水水质得到明显的改善，且膜组件设置在三相分离区的上清液部分，不与污泥直接接触，加上纳米二氧化钛的光催化作用，大大降低了膜污染，延长了膜组件的使用寿命，减少了膜更换周期所需要的人力与物力。