本发明公开了一种同时富集硝化细菌和反硝化细菌的方法及其应用，所述方法包括以下步骤：将含有硝化细菌和反硝化细菌的污泥加入含有膜曝气生物反应器的池体，使所述膜曝气生物反应器内溶氧量控制在1.5～4mg/L；将COD/氨氮比为2‑7的废水分批次加入所述膜曝气生物反应器，逐步提高废水浓度，交替进行通气和曝气，使所述池体中溶氧量维持在1.5～4mg/L；将硝化细菌和反硝化细菌挂膜到膜曝气生物反应器的膜组件上，富集得到硝化细菌和反硝化细菌。通过本发明方案可以使得到的生物膜在具有较高的微生物活性和污染物处理效率，且本发明方法，运行成本低、操作方便，普遍适用于废水处理领域，有很高的应用价值，易于推广使用。