膜技术由于其具有能耗低、分离装置简单和分离效率高等优点，在水处理工艺中应用越来越广。然而，膜污染，包括胶体污染，无机污染，有机污染和生物污染等，影响了出水水质和运行成本，是膜高效运行的一个主要障碍。前三种污染可以通过降低水体中污染物浓度而得到控制，生物污染，即使99.9％的微生物被去除，仍然有足够的微生物能够随着膜装置的运行不断繁殖，是膜运行中的一个薄弱环节。生物污染，不仅降低膜通量，增加能耗，而且频繁的膜清洗严重影响了膜的使用寿命。在实际膜运行中，生物污染是多种菌和其胞外聚合物(EPS)组成的生物膜集合体，而多菌种形成的生物污染在生物膜的形成结构和功能方面与单一菌种有较大差异，EPS的组织结构使得其中的微生物菌体能够抵抗外界的各种不利环境条件，如干燥、抗生素、杀菌剂等，因此，深入认识膜表面生物污染中菌群的发展变化，以及生物污染形成过程的化学组成变化，对于杀菌剂效率提高和抗污染膜技术的发展具有重要意义。　　表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种具有广泛应用前景的分子光谱技术，能够使纳米粒子表面的样品信号得到极大的增强，并且具有样品制备简单、灵敏度高、无需标记、水干扰较小、窄谱带宽、提供分子的指纹图谱信息等优点，已被证明是一种研究生物分子和结构变化的强有力的工具，所以发展表面增强拉曼光谱(SERS)用于生物污染的研究具有重要的实际意义。基于此，本文通过实验室小试装置，开展了表面增强拉曼光谱研究混合菌膜生物污染过程中优势菌群的变化，膜生物污染发展和膜清洗过程中化学组成的变化。取得了如下研究结果:　　1.SERS研究滤膜表面混合菌生物污染形成过程中菌群的动态变化。我们选取了缺陷短波单胞菌（Brevendimonas diminuta，BD）和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus，SA)作为受试菌株，两种菌均在真实膜生物反应器中被发现，并且具有不同的SERS谱峰信号特征和菌体形状。通过静态培养条件下在混合纤维素酯微滤膜表面培养1-72 h，我们利用两种菌明显不同的SERS谱图特征和SERS的半定量分析功能，研究了混合菌生物污染从细菌在滤膜表面的初始附着到生物膜发展过程中的菌群动态变化。结果表明，8h之前，混合菌生物污染中以SA为主，但是24 h后SA发生脱落，BD逐渐成为优势菌群。另外，我们发现SA在单一和混合生物膜培养条件下行为明显不同，单一培养条件下SA在滤膜表面逐渐增加并稳定，没有发生明显的脱落现象，而混合培养下SA在24 h后发生显著脱落。由于两种菌的形状不同，这使得我们可以利用扫面电子显微镜观察两种菌在滤膜表面的变化过程，并进一步验证SERS结果，结果发现SERS和SEM吻合良好。为了了解菌群动态变化的原因，通过测定两种菌生长曲线和不断更换新鲜培养基进行长时间培养，我们发现菌液中细菌的浓度和对营养的竞争导致了混合培养条件下优势菌群的变化。此外，SERS能够在1h时检测到膜表面少量细菌的附着，显示了其高的检测灵敏度和用于膜污染早期诊断的能力。通过对生物膜的SERS强度对培养时间作图，得到膜生物污染程度随培养时间的变化。混合菌生物膜的生物量12h之前与SA相当，快速生长并发生脱附，24 h后生物量与BD相近。以上说明，SERS可以作为一种较好的工具用于观测生物污染中不同菌种之间的相互关系，实现膜生物污染的早期诊断和污染程度的判断，有助于抗膜污染技术的发展。　　2.SERS研究模拟真实纳滤膜过滤系统中膜生物污染形成和清洗过程中的化学组成变化。选用陶氏纳滤膜NF90，压力0.5 MPa，流量0.5 L/min，以BD作为受试菌株，研究了连续过滤48 h过程中的通量变化，通量呈现8h之前下降缓慢，8～20 h快速下降，20 h以后维持较低稳定水平。我们选取了通量下降曲线中5个代表不同阶段的时间点，取出其中的NF膜进行SEM和SERS表征。SEM结果显示膜污染层随时间逐渐变厚，说明污染加重。SERS检测到了生物膜中多糖、蛋白、核酸等多种生物分子的信号，进一步基于Matlab进行化学计量学分析，即主成分分析-线性辨别分析(PCA-LDA)，以及在此分析基础上开展Cluster vector分析（可以获得变化大的谱峰信息），结果表明多糖在污染形成过程中降低然后升高，而核酸呈现相反的趋势，形成过程中升高，生物膜成熟后降低，蛋白的变化则更为复杂，说明生物膜在形成过程中化学成分剧烈变化。我们也同时比较了相同时间下的生物膜和浮游菌化学组成上的差异，发现随着培养的进行，组成差异越来越大，说明EPS的分泌使得生物膜和浮游菌之间化学组成差异越来越大。最后，我们利用陶氏纳滤膜在实际运行过程中采取的膜清洗方法，使用0.025％十二烷基磺酸钠(pH=12)作为清洗剂对膜污染进行了不同时间的清洗。SEM显示，随着清洗时间的延长，膜污染层变薄，并在清洗3h后基本消失。我们利用SERS和化学计量学方法分析了清洗过程中膜生物污染层的化学组成变化，并与形成过程中的变化进行对比，发现生物污染层在清洗过程中的大部分化学组成与形成过程具有相反的变化趋势。以上研究能够帮助人们更深入地理解生物膜形成过程中化学组成变化的详细信息，进而有针对性的使用各种清洗试剂和方法，提高膜生物污染的去除效率，从而更有效的控制生物污染。