Volatile fatty acids (VFAs) derived from food waste fermentation were applied as alternative carbon sources to enhance nitrogen removal in low COD/N biological processes, and their effects on membrane fouling in the A2O-MBR system were evaluated. Carbon sources including glucose (Glu), butyric acid-dominant (HBu), and acetic acid-dominant (HAc) showed similar removal efficiencies for COD, TN, and TP. However, VFA-fed reactors exhibited higher membrane fouling propensities than the Glu-fed reactor, with the HAc-fed reactor showing the most severe fouling. Interestingly, the HBu-fed reactor produced the highest level of extracellular polymeric substances (EPS), yet the EPS from the HAc-fed reactor demonstrated the strongest adhesion force (-2.05 ± 0.2 mN/m) based on atomic force microscopy (AFM), compared to those from HBu (-0.8 ± 0.44 mN/m) and Glu (-0.6 ± 0.3 mN/m). Linear programming method (LPM) analysis revealed that the HAc-fed sludge had fewer surface functional groups, resulting in higher hydrophobicity. This hydrophobicity led to stronger adhesive interactions due to reduced electrostatic repulsion. These findings suggest that while VFAs from food waste can be used as effective external carbon sources in nutrient removal, their impact on membrane fouling must be carefully considered in MBR applications.