膜污染是膜与反应器内的污泥混合液中的污染物质相互作用而引起的在膜孔内或者膜面吸附、聚集、沉淀等，从而引起膜跨膜压力的升高(恒流模式)或者膜通量的降低(恒压模式)的现象。
活性污泥体系中物质众多，包括污水基质、菌胶团、微生物细胞、细胞碎片以及微生物代谢产物如胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物产物(SMP)以及各种有机、无机溶解性物质等，理论上讲每一部分对膜污染都有贡献。
活性污泥体系中的物质在膜孔内的吸附和聚集形成的污染，称之为内部污染；而在膜表面聚集或沉积形成的污染称之为外部污染。
需要指出的是，MBR的外部污染中存在"泥饼层"污染和"凝胶层"污染的现象。泥饼层污染是指大量污泥絮体在膜面沉积而形成的污染；凝胶层污染则是一些小颗粒物质，如胶体物质、EPS、SMP 等物质在膜面的吸附和聚集，这些物质的粒径分布往往较广，*控制这些物质不在膜面沉积是不可能的。
在MBR运行过程中，一旦出现泥饼层的污染，系统随之会出现压力迅速上升或者通量急剧衰减的现象，MBR在短期内达到运行终点，需要进行膜的清洗。而目，在长期运行过程中，这些被认为"可逆"的泥饼层污染会逐渐向"不可逆"过渡，影响系统的长期稳定运行。
尽管有研究者认为泥饼层污染可以起到拦截细小颗粒物等的作用，但是一般在MBR操作运行中要尽可能避免泥饼层的过渡形成。凝胶层污染所带来的是膜污染阻力缓慢上升的过程，在恒流操作模式中表现为压力的缓慢上升，在恒压操作模式中表现为通量的缓慢衰减。
此外，目前关于MBR中优势污染物的研究与认识仍存在争议，但是一般认为反应器中存在的胶体物质以及微生物产物是引起MBR长期运行过程中污染的主要污染物，并且无机离子与有机物之间存在的架桥和络合作用会引起更加严重的污染现象。
