膜生物反应器(MBR)是一种高效的污水处理技术,膜污染层的形成使系统处理能力降低,从而制约了MBR技术的推广。膜污染层具有复杂的多孔结构,待滤液从其中通过;因此需从孔隙结构出发,研究膜污染层的渗透特性。本文首先从待滤液成分出发,研究膜污染层的宏观过滤特性。搭建了浸没式膜分离系统,将活性污泥混合液分离成悬浮固体和上清液两种成分分别开展研究。根据堵塞模型将膜污染过程划分成完全堵塞和滤饼层堵塞两个阶段,并得到相应的拟合曲线。讨论了改变曝气强度对三类待滤液过滤特性的影响,分析了活性污泥混合液中两种成分的共同作用对过滤特性的影响。膜分离实验后提取污染层样品,对膜污染层进行了三维重构与流体力学计算。分别通过扫描电子显微镜(SEM)和共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)对膜污染层进行观测。利用免疫荧光染色方法,得到了多孔介质的光学切片图;通过图像重构的方法建立了膜污染层的三维结构,获取了多孔结构参数。对该结构进行网格划分进而开展流体力学计算,获得膜污染层的渗透率;另一方面,通过渗流实验获得膜污染层渗透率。通过渗透率模拟值与实验值的比较,验证了CFD计算、图像处理以及三维重构的可靠性。随后分析了膜污染层的孔隙结构对过滤特性的影响。利用海藻酸钠和酵母粉两种人工污染物,对多糖和蛋白质两种主要污染物的过滤特性进行了研究。通过对其孔隙结构特性和传质特性的分析,得到了两种污染物随过滤过程的变化以及孔隙分布对渗透率的影响。大孔对渗透率的贡献占主导作用。随着蛋白质类物质的加入,膜污染层中大孔数急剧减少,进而导致了膜污染层渗透率的衰减。最后考察了典型的预处理方法对膜污染的防控作用。使用氯化钙作为预混凝剂,结合CLSM图像分析了不同钙离子浓度下系统的过滤特性。添加混凝剂能提高透膜流量,但过高的钙离子使透膜流量降低;同时添加氯化钙和高锰酸钾能起到强化混凝的作用。使用次氯酸钠作为预氧化剂,对待滤液的分离特性展开实验研究,结果显示通过分次投加的方式能够更好地防控膜污染的过程。