膜污染是膜與反應器內的污泥混合液中的污染物質相互作用而引起的在膜孔內或者膜面吸附、聚集、沉淀等，從而引起膜跨膜壓力的升高(恒流模式)或者膜通量的降低(恒壓模式)的現象。
活性污泥體系中物質眾多，包括污水基質、菌膠團、微生物細胞、細胞碎片以及微生物代謝產物如胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物產物(SMP)以及各種有機、無機溶解性物質等，理論上講每一部分對膜污染都有貢獻。
活性污泥體系中的物質在膜孔內的吸附和聚集形成的污染，稱之為內部污染；而在膜表面聚集或沉積形成的污染稱之為外部污染。
需要指出的是，MBR的外部污染中存在"泥餅層"污染和"凝膠層"污染的現象。泥餅層污染是指大量污泥絮體在膜面沉積而形成的污染；凝膠層污染則是一些小顆粒物質，如膠體物質、EPS、SMP 等物質在膜面的吸附和聚集，這些物質的粒徑分布往往較廣，*控制這些物質不在膜面沉積是不可能的。
在MBR運行過程中，一旦出現泥餅層的污染，系統隨之會出現壓力迅速上升或者通量急劇衰減的現象，MBR在短期內達到運行終點，需要進行膜的清洗。而目，在長期運行過程中，這些被認為"可逆"的泥餅層污染會逐漸向"不可逆"過渡，影響系統的長期穩定運行。
盡管有研究者認為泥餅層污染可以起到攔截細小顆粒物等的作用，但是一般在MBR操作運行中要盡可能避免泥餅層的過渡形成。凝膠層污染所帶來的是膜污染阻力緩慢上升的過程，在恒流操作模式中表現為壓力的緩慢上升，在恒壓操作模式中表現為通量的緩慢衰減。
此外，目前關于MBR中優勢污染物的研究與認識仍存在爭議，但是一般認為反應器中存在的膠體物質以及微生物產物是引起MBR長期運行過程中污染的主要污染物，并且無機離子與有機物之間存在的架橋和絡合作用會引起更加嚴重的污染現象。
