一种基于分体式厌氧膜生物反应器的水处理系统及方法，该水处理系统包括厌氧反应器，用于厌氧发酵、产生沼气；膜池，其内设有膜组件，用于排出处理后的废水；以及气体循环装置，用于在厌氧反应器和膜池内形成沼气循环。本发明可适应高浓度有机废水，能实现工艺运行系统稳定，出水水质短程达标等优点；通过膜分离技术截留污泥混合液中大分子量污染物，提升反应器内污泥浓度，稳定了出水水质；本处理装置混合度高，耐冲击负荷能力强，特别对于易酸化的有机废水具有良好的适应性。