微生物能够通过降解和转化作用实现水中污染物的去除以及氮、磷和碳等元素的循环,在废水生物处理和水生态系统修复中发挥着重要作用。微生物和膜分离技术相耦合的膜法生物处理工艺由于具有诸多优点而广泛应用。然而,微生物容易通过聚集形成生物膜,引发膜污染,从而降低膜法生物处理工艺效率,且生物膜也会造成生态环境问题。在膜法废水生物处理系统中,由于受到复杂的微生物间相互作用以及操作条件和环境因素等影响,微生物的成膜行为更加复杂多变。因此,本论文以微生物群落和微生物胞外聚合物为研究对象,在深入解析膜法废水生物处理过程中微生物成膜机制的基础上,系统研究微生物成膜行为调控方法的可行性和作用原理,从而为膜法废水生物处理系统中微生物所诱发的膜污染问题提供解决思路,在废水生物处理和水生态保护方面具有重要意义。本论文的主要研究内容和结果如下:1.跨膜压力与渗透压驱动下微生物成膜行为的差异性研究。针对微生物群落在不同驱动方式下成膜机制不清晰的问题,选择跨膜压力和渗透压两种驱动方式,通过分析污染层的特征、微生物成膜的主导因素以及污染物的运动轨迹,探索了微生物群落在不同驱动条件下组装方式和成膜行为的变化规律。结果表明,在压力驱动下,微生物无选择性地被动堆积到膜材料表面,形成更均质、更厚实且富含多种微生物和其他污染物的污染层,该污染层与死细胞、微生物胞外聚合物（EPS）及物理化学性质具有较高的相关性;而在渗透压驱动下,定植和黏附细菌在污染层形成中起主导作用,污染层更平滑、更薄,且污染物和微生物含量较少,具有类似于生态系统中天然形成的生物膜特性。该工作发现了微生物群落在跨膜压力和渗透压驱动方式下形成不同的污染层,并且具有不同的组装方式和成膜过程,为研发高效的微生物所致膜污染的阻断方法提供了科学依据和理论指导。2.溶解性微生物产物（SMP）缓解透明胞外聚合物颗粒（TEP）诱发的膜污染研究。针对TEP在市政污水处理厂中分布和去除路径及其相关膜污染过程不清晰的问题,首先调研了其在污水处理厂中的分布情况,发现TEP广泛存在于污水处理厂的各个操作单元,不能被现有的生物处理工艺完全去除。之后,分析了不同浓度TEP和SMP在过滤过程中所诱发的膜污染,观察到TEP比SMP导致更严重的膜污染,但二者相互作用后会相对减轻膜污染的程度;经与SMP相互作用后,TEP的粘附能力和过滤阻力均显著降低,进而确定正是SMP缓解了由TEP诱发的膜污染。该工作证实了 TEP在市政污水处理厂中的普遍存在和TEP在膜污染形成过程中的重要性,同时发现了污染物间的相互作用能够缓解膜污染,为针对性膜污染防治提供了新思路。3.群体感应淬灭小球对微生物成膜行为的调控机制。为阐明群体感应淬灭作用对不同驱动方式下微生物所致膜污染的作用机制,利用多种实验方法表征了污染层在群体感应淬灭小球作用下的变化过程,并厘清了群体感应淬灭小球调控微生物成膜行为的作用机制。分析显示,在渗透压驱动下,经群体感应淬灭小球作用后,膜污染程度、污染层厚度及其中微生物与EPS的含量都明显降低,表明群体感应淬灭小球通过群体感应淬灭效应抑制微生物成膜过程,并结合碰撞剪切作用共同缓解膜污染。而在跨膜压力驱动下,群体感应淬灭小球能够降低污染层厚度和其中的污染物含量,并抑制膜污染程度;但污染层中微生物和EPS的含量变化较小,表明群体感应淬灭小球主要通过碰撞剪切作用减轻该条件下形成的膜污染。该工作确定了群体感应淬灭小球对于跨膜压力和渗透压驱动方式下的微生物成膜行为均有抑制效果,但是作用机制不同,为针对性控制微生物导致的膜污染提供了新策略。4.仿生学振动抑制正渗透系统中的微生物成膜过程研究。受自然界生物体通过振动方式清除身体表面污染物现象的启发,构建了正渗透膜的仿生学振动系统,并评估和探索了振动对于溶质积累和膜污染的缓解效果和作用机制。利用通量测试实验证实了仿生学振动有效抑制了膜表面的溶质积累,同时提高了膜的水通量;利用COMSOL仿真模拟,发现振动通过提高膜表面的流体速度和有效渗透压,增加了膜的水通量;结合抗污染和成像表征,发现振动通过破坏SMP污染层结构和溶质积累,抑制微生物早期的附着和成膜,缓解二者造成的膜污染并提高膜的水通量。该工作开发了仿生学振动系统,并证明了其对于改善正渗透膜性能和抑制微生物成膜过程的有效性,为控制水处理系统中微生物导致的膜污染提供了有效的技术手段。