膜污染是渗透性的损失，不是某一种沉积物
污水处理中的膜污染，是物质在膜表面或膜孔内逐渐累积，并以压力代价的形式体现出来。让膜在恒定产水流量下运行，跨膜压差就会上升；让它在恒定压力下运行，流量就会衰减。MBR 的膜污染与超滤系统的膜污染是同一种现象发生在不同的膜上，两者真正要紧的都是压力变化的速度，而不是压力本身。
这个词让人以为只有一种物质，而第一步有用的做法就是别再把它当成一种。到达膜的混合液带着悬浮固体、胶体、溶解性有机物、多价离子以及活的微生物群落，其中任何一种都可能沉降在膜的同一平方米上。装置实际看到的通常是组合：表面的滤饼层与孔堵塞、覆在其上的生物聚合物吸附凝胶层，以及在浓度最高处结晶析出的无机垢。
组合之所以要紧，是因为跨膜压差趋势的形状本身就是诊断。反洗能冲掉的沉积物，和需要次氯酸钠浸泡的沉积物不是同一种；答错了就要消耗膜的寿命。下面四种机理是文献与运行经验反复回到的那几种。
膜污染的四种机理
四种机理在时间上相互重叠，症状也是同一个。每一种要用不同的动作应对，而针对错误机理的动作会让沉积物变得更糟而不是更好。
滤饼层
滤饼层是由大到无法进入膜孔的物质在膜表面堆起来的沉积层：絮体、胶体、细胞碎片以及它们携带的聚合物。它是四种中最常见、也最宽容的一种，因为它是被挡在表面而不是堵在孔内。新鲜的滤饼正是松弛、反洗或曝气擦洗的剪切力被设计来冲掉的。滤饼一旦被压密，又在自身之上长起生物膜，就不再表现得像松散沉积物，而开始表现得像一层阻力未知的第二张膜。
孔堵塞
孔堵塞发生在小到能进入膜孔的颗粒真的进去，并把孔收窄或封死的时候。经典描述把它分为完全堵塞——一个颗粒封住孔口，和标准堵塞——物质沉积在孔壁上使其收缩。它是压力曲线中最快那一段背后的机理：膜清洗或投运后的最初几小时或几天内压力陡升，等可进入的孔都被占满之后斜率变得平缓得多。这段上升只有一部分能靠物理清洗恢复，所以反洗无法恢复的早期上升值得记录下来，而不是不予理会。
有机物吸附与凝胶层
溶解性有机物——生物处理产生的溶解性微生物产物与胞外聚合物——直接吸附到膜材料上并在界面形成凝胶。这是表面化学事件而不是筛分事件：这些分子远小于膜孔，而且无论是否在截留固体，它们都会到来。凝胶薄、致密、阻力大，物理清洗碰不到、化学清洗能去掉的污染，多半就是它造成的。它的来源是生物系统：污泥龄长、混合液浓度高、食微比低，都会把溶解性微生物产物推入膜必须通过的水中，所以生物运行点的变化会最先在膜上显现。
无机结垢与生物污染
无机污染是沉淀。碳酸钙、硫酸钙、鸟粪石以及铁、锰、铝的氧化物与氢氧化物，在浓度与 pH 使其不溶的位置于膜上结晶，它们带着另外三种都没有的特征到来：一个突跃、物理清洗无法恢复、以及自身特有的化学性质。生物污染通常是并入这一组而不是单列的，因为生物膜是一个由同类胞外聚合物基质维系的群落，它把颗粒物与有机物粘到表面上，同时酸和碱在攻击它周围的矿物沉积。在膜生物反应器中，微生物不是来自外部的污染物，而是工艺本身，所以膜生物反应器的污染行为与完全不接收微生物的过滤系统的污染不同。
从 TMP 曲线读出四种机理
记录跨膜压差与产水流量的装置，其实记录里就有诊断，前提是把记录当作一种形状来读，而不是当作一个数字。有四种形状反复出现。
- 稳定上升、而一次松弛或反洗能把它拉回起始值，这是滤饼层在像滤饼层那样表现。它是维护信号而不是故障，也正是例行周期被设计来应对的信号。
- 清洗后最初几小时或几天内快速上升、随后转平，指向孔堵塞。这一早期阶段越陡，到达膜孔的颗粒越小，越需要检查膜前的预处理。
- 经历每一次物理清洗都消不掉的上升，并且在污泥龄高或混合液浓度高的一段时期之后更严重，就是吸附凝胶。它要由化学清洗与生物运行点共同应对。
- 在其他什么都没变的情况下突然出现一个台阶，是结垢。它之前往往有进水化学性质的变化、pH 波动，或者一次用了该沉积物并不溶解的药剂进行的化学清洗。
还有一种形状必须与这四种区分开，因为它不是污染。水的黏度随温度下降而升高——在 25 °C 到 10 °C 之间大约升高一半——流动阻力随之上升，所以恒通量运行的装置在冬季需要更高的跨膜压差才能维持与夏季相同的产水流量。冬季升高、随水温回升而回退，且不改变清洗后恢复段的斜率，这是温度而不是沉积物。关于污染速率的判断应当建立在温度校正后的压力上。
膜生物反应器的污染在哪里就已经决定
一股水流的污染潜势，大部分在膜之前就已经定下来了。五个运行决策承载了其中大部分影响。
- 格栅。膜生物反应器通常由细格栅保护，常见取值 1–3 mm，因为通过粗格栅的纤维、毛发和砂粒会到达膜上，而且任何化学药剂都无法把它们从膜上去除。
- 污泥龄与混合液浓度。污泥龄越长，剩余污泥越少，溶解性有机物比例越高；混合液悬浮固体浓度越高——浸没式 MBR 常见取值 8–12 g/L——黏度和曝气擦洗的负担越大。超过某一点之后，多出来的浓度在污染上付出的代价，比它在池容积上省下的更多。
- 膜区的曝气。组件下方通入的空气是用来擦洗表面的，不只是供氧；为了省电而把它调小的装置，几周之后会在跨膜压差趋势上看到这笔省下的代价。
- 通量。在临界通量以下运行——临界通量是污染速率从温和转为陡峭的那个通量——是控制滤饼形成最大的单一杠杆。
- 温度。低温水提高黏度、减慢生物动力学，并改变微生物分泌物的组成，所以按暖季水样设计的装置，在第一个冬天可能同时遇上全部四种机理。
上面引用的这类取值范围是文献与运行经验里通常给出的值，应当作为起步方法而不是规格来读，因为它们之间的平衡取决于具体装置的水质与微生物。
可逆污染与不可逆污染，以及真正要紧的速率
可逆污染与不可逆污染的区分，取决于什么能去掉沉积物，而不是它由什么构成。松弛或反洗能去掉的物质是可逆的；只有化学清洗才能恢复的物质是化学可逆的；任何清洗都恢复不了的物质是不可逆的，它会不断累积，直到膜被更换。每一次清洗都把沉积物中的一部分从第二类移入第一类，而这个比例就是衡量清洗制度是否有效的尺度。
速率比水平更要紧。每次清洗后记录渗透性、并把各点之间的斜率画出来的装置，能在触到压力上限之前好几个月分辨出污染速率是稳定的还是在加速；而加速的速率是一个信号，说明上游有东西变了：新增的工业排放、格栅被旁通、污泥龄发生了漂移。只看绝对压力，会把诊断一直拖到只剩下恢复性清洗这一个答案的地步。
要记录什么，诊断才有可能
- 同一时刻的跨膜压差与产水流量，这样渗透性可以计算而不是估算。
- 温度，这样在得出任何结论之前可以先做黏度校正。
- 每一次松弛、反洗与化学清洗的时间与结果，以及各自恢复的渗透性。
- 膜池的混合液悬浮固体、污泥龄与溶解氧。
- 产水浊度或悬浮固体，用来把膜的问题与生物的问题区分开。
- 进水的每一次变化：新增的工业排放、季节性负荷、被旁通的格栅。
从诊断到膜的运行任务
这四种机理正是膜装置运行成本既是维护问题、也同样是一个设计问题的原因。同系列的《膜清洗药剂与频次》一文，把这里描述的压力趋势转化为清洗制度。一体化 MBR 设备页说明了膜、生物系统与曝气擦洗是如何集成在一起的；适合你的膜组件与水质的具体通量、周期与清洗药剂，按你的膜组件和水质与工厂确认，而不是从表格里照搬。