综述：洗衣机外置微塑料过滤器：研究进展、技术挑战及生物污堵缓解策略

《Membranes》：External Microplastic Filters for Washing Machines: Advances, Technical Challenges, and Biofouling Mitigation

　　

洗衣废水释放的微塑料纤维是环境微塑料污染的主要来源。由于传统污水处理工艺无法完全去除纤维状微塑料，安装于洗衣机的过滤器已成为降低微纤维排放、实现源控制的极具前景的技术路径。本综述系统总结了用于洗衣废水处理的外置过滤系统及基于膜技术的近期研究进展，讨论了洗衣废水水质特征、微纤维释放行为及最新监管动态，同时分析了市售过滤系统的运行性能。重点阐述了包括陶瓷膜在内的先进膜材料在高效率微纤维分离中的适用性，特别关注了微塑料过滤器的微生物污染与生物污堵问题——这类现象会显著影响过滤效率、运行稳定性及家庭卫生安全。此外，综述探讨了将截留微塑料回用于膜制备的潜在路径，将其视为废弃物增值与循环资源利用的可持续策略。最后，本文剖析了高效、卫生、可持续的洗衣微塑料过滤技术当前存在的局限性，并对其未来发展方向进行了展望。

1. 1.
   引言
   洗衣废水释放的微塑料是城市水生系统的重要污染源，其产生的合成微纤维已成为微塑料污染的主导贡献者之一。单次洗涤周期可向废水排放数百万根微纤维，纺织洗涤约占进入海洋初级微塑料总量的35%。这些尺寸通常小于5 mm的纤维主要源于聚酯、尼龙、腈纶等合成纺织品，随全球合成服装需求增长，其释放量持续上升。微塑料纤维因难生物降解而在环境中持久存在，不仅可通过吸附作用携带危险污染物、微生物及藻类形成有毒聚集体，还可被水生生物误食，造成肠道阻塞、炎症等物理损伤，对生态系统和人类健康构成风险。现有污水处理厂对微纤维的去除并不彻底，其长度、柔韧性及低密度特性使其在一级处理中难以沉降，不规则形态则降低了常规过滤系统的效率；二级生物处理对其去除率有限，三级处理如膜生物反应器（MBR）和快速过滤虽可实现高去除率，但高昂的基建与运行成本限制了其广泛应用，且污泥土地利用可能导致微塑料二次释放。因此，在产生端实施源控制策略至关重要，外置微塑料过滤器可直接在洗衣废水进入管网前截留微纤维，成为实用且可规模化的解决方案。当前研究聚焦于通过优化孔径、滤材及结构构型提升截留效率，但仍面临跨膜压差高、堵塞、耐久性不足及维护需求大等技术挑战，其中生物污堵——即微生物及胞外聚合物（EPS）在滤膜表面累积——是影响过滤器性能的关键因素。现有生物污堵认知多源于膜过滤系统及洗衣机内置排水过滤器，外置过滤器是否面临同等风险尚未得到直接验证，鉴于洗衣废水中表面活性剂负荷及温度波动等条件与传统膜系统存在差异，其生物污堵问题需作为推断性研究方向加以关注。相较于已有综述从纤维释放机制、标准化量化方法及立法现状等角度展开的讨论，本综述从膜过程与材料视角出发，重点探讨陶瓷微滤（MF）、超滤（UF）膜作为抗污堵、高效率滤材替代传统筛网的潜力，分析过滤器微生物定植与生物污堵对过滤性能及家庭卫生的影响，并提出将截留微塑料升级回收为膜材料的路径，将生物污堵缓解与资源增值定位为洗衣微塑料过滤技术可持续发展的核心议题。
2. 2.
   Characteristics and Treatment of Laundry Wastewater
   2.1. Water Quality of Laundry Effluent
   洗衣废水是一类成分复杂的灰水或工业废水，含有洗涤剂残留、织物颗粒、有机物、油脂及微量金属，其组成受洗涤类型、运行规模、洗涤剂配方与用量、洗涤温度及周期频率等因素影响而差异显著。家庭洗衣废水的污染物负荷及波动性低于酒店、医院及大型洗衣工厂等商业与工业源废水，后者悬浮固体（SS）、有机物、表面活性剂及溶解离子浓度更高，因此需针对污染源特征进行水质表征以设计高效处理与回用方案。关键理化参数包括pH、生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、总悬浮固体（TSS）、总溶解固体（TDS）、电导率、浊度及表面活性剂浓度。家庭洗衣废水pH多为6–9，商业与工业废水pH范围可达5–12，呈强碱性；家庭废水BOD为40–266 mg/L，COD为429–1755 mg/L，不可生物降解有机物占比高于典型市政污水；商业与工业废水BOD为190–542 mg/L，COD为323–1710 mg/L。TSS在家庭废水中为141–469 mg/L，在工业废水中可达60–1116 mg/L，会对下游沉淀、过滤及膜分离过程造成负担。洗涤剂组分使废水具有高离子强度，家庭废水电导率为641–5760 μS/cm，TDS为229–2000 mg/L，工业废水TDS可超过6000 mg/L。浊度与色度同样随来源变化，家庭废水浊度为25–281 NTU，工业废水可达92–858 NTU。表面活性剂尤其是阴离子表面活性剂如直链烷基苯磺酸盐（LAS）是核心污染物，家庭废水中浓度约16 mg/L，工业废水中为9–59 mg/L，最高可达164 mg/L，其不仅抑制生物处理过程、危害水生环境，还会引发泡沫等运行问题。其中BOD、COD、TSS及表面活性剂浓度与外置过滤器污堵直接相关：高BOD与COD意味着更多可被微生物利用的有机物，促进滤膜表面生物膜生长；高TSS易形成滤饼层，增加水力阻力、降低渗透通量；残留表面活性剂则可增强有机物吸附与微生物黏附，加速污堵进程，因此需在过滤器设计与运行中重点考量这些参数。

2.2. Current Treatment Methods for Laundry Wastewater

洗衣废水处理策略取决于污染源与污染物负荷：家庭废水通常排入市政管网由公共污水处理厂处理，商业与工业废水则需现场或集中工业设施处理。常规流程包括混凝沉淀、生物处理、过滤、高级氧化、膜分离及电化学方法，常组合为集成系统。传统处理经预处理、初沉、生物处理及二沉阶段，新兴的微气泡气浮技术正被用于去除微塑料与细小悬浮物。活性污泥法作为核心工艺，对BOD去除率达90.8%，对SS达95.5%，微塑料去除率可超过90%。为满足严苛排放标准或实现回用，生物处理后常增设三级处理：活性炭吸附可有效去除溶解性有机物、表面活性剂、色度及异味；臭氧、UV/H₂O₂、芬顿反应等高级氧化工艺可产生羟基自由基降解难降解有机物。工业废水因污染物负荷高且波动大，常需集成物化与生物过程的多级处理，例如延长曝气活性污泥（EAAS）工艺结合UV/O₃氧化单元，可实现COD去除率约90%、表面活性剂去除率71%。尽管技术不断进步，微纤维的完全去除仍具挑战：其细长形态、柔韧性与低密度使其在处理过程中易悬浮，部分随出水排放或富集于污泥中。因此，仅依赖下游处理不足以阻断微纤维入环境，需在产生端配套源控制策略。外置微塑料过滤器安装于洗衣机排水管线，可在家庭层面便捷实施，无需新增集中式基础设施，通过在微纤维浓度最高的排放环节进行截留，既降低污水处理厂负荷，又减少受纳水体污染，是对现有污水处理系统的有益补充而非替代。

2.3. Emerging Techniques for the Removal of Microplastics from Laundry Wastewater

除常规工艺外，膜分离技术对洗衣废水中微塑料与微纤维的去除表现出高效性。微滤（MF）与超滤（UF）可高效截留悬浮固体、微生物及微塑料，已广泛应用于深度处理与回用系统。膜生物反应器（MBR）集活性污泥法与MF/UF于一体，无需二沉池即可实现高效固液分离，对SS近完全去除，微塑料浓度可降至极低水平，中试规模MBR对市政污水微塑料去除率超过99%。针对洗衣废水的研究显示，混凝与UF膜组合的工艺具有协同效应，微塑料去除率达96%±2%；高速陶瓷MF/UF膜系统在实际运行条件下可实现稳定高效的微塑料去除，碳化硅基MF膜与氧化锆基UF膜的去除率分别达98.6%与99.2%，UF膜因孔径更细而出水水质更优。然而，膜系统仍存在基建与运行成本高、膜污堵及能耗大等局限，限制了其在分散式或家庭场景的推广。

1. 3.
   Development of External Microplastic Filters for Washing Machines
   为应对家用洗衣微纤维污染，全球多国正推进针对源控制的法规政策，强制安装洗衣机微塑料过滤器成为核心策略。法国2020年《反浪费法》率先规定2025年起销售的新洗衣机必须配备微纤维过滤器，树立了全球标杆。美国加州2023年提出AB 1628法案要求2029年前过滤器可截留100 μm以下颗粒（后被否决，后续AB 2214已提出）；俄勒冈州2025年提出SB 526法案，要求2030年起新洗衣机安装微纤维过滤器并配套使用维护标识。欧盟在《循环经济行动计划》中将洗衣微塑料列为重点环境问题，但尚未出台强制性要求；英国《微塑料过滤器（洗衣机）法案》提议强制安装去除率达90%的过滤器。澳大利亚计划2030年起分阶段强制安装；加拿大安大略省拟2028年起实施新规；韩国虽未立法，但《微塑料管理特别法》提案及环境部减塑路线图均将强制安装纳入考量，显示出全球监管标准化与过滤技术强制应用的明确趋势。家电制造商正积极回应：软件层面推出减微纤维洗涤程序，如三星与Patagonia合作的“Less Microfiber Cycle”通过降低织物摩擦与水流量，可减少54%的微纤维释放；LG通过智能平台提供类似功能。硬件层面，过滤技术分为内置与外置两类，市售外置过滤器孔径多在45–200 μm，截留率通常为89%至98%以上，但实际标准测试中仅为35%–68%，存在截留效率与水力性能的权衡。小孔径虽提升截留率但加速堵塞，部分产品设旁路通道在堵塞时暂时停止过滤，被动式可复用筛网过滤器比带自清洁机制的产品需更频繁维护。测试条件（织物类型、洗涤规程、定量方法及周期数）的差异导致性能数据可比性差，亟需标准化评估协议。陶瓷膜作为高性能替代材料，聚醚砜（PES）与锆钛复合（ZT）膜对微纤维的去除率分别达99.88%与99.96%，且亲水性表面降低有机污染物相互作用，污堵倾向比聚合物膜低1.5–2.0倍，出水水质优异。仿生结构、可复用设计及低成本辅助产品（如洗衣球、过滤袋）也在持续发展。当前全球强制过滤趋势推动了技术创新与市场扩张，但孔径阈值、目标去除率及认证协议等标准差异，以及维护、用户依从性与长期性能等实际问题仍未解决，需建立标准化评价方法与高抗污、高耐久性过滤器设计，保障技术有效可持续应用。
2. 4.
   Upcycling of Captured Microplastics into Membrane Materials
   洗衣机过滤器截留的微塑料主要为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）等热塑性聚合物，将其作为膜制备原料符合循环经济原则，可同步减少塑料废物并产生高附加值水处理材料。微塑料的热塑性特征与优良理化性质使其适配非溶剂致相分离（NIPS）与静电纺丝等主流制膜工艺；洗衣废水中PET与聚酰胺（PA）纤维分子量高、机械强度好，是理想的成膜原料。膜结构与性能由聚合物基质、溶剂、添加剂及非溶剂四元体系决定，废弃PET、PS、PVC正逐步成为PVDF、PSf、PES等传统材料的可持续替代物，但需经洗涤、过滤、纯化等预处理以保障铸膜液稳定性与膜性能。研究显示，废弃PET经静电纺丝制备的纳米纤维膜孔隙率达77%，接触角大于130°，膜蒸馏脱盐率可达99.9%；掺LiCl与沸石的NIPS-PET膜可有效去除重金属与浊度；PEG改性再生PET膜在MBR中性能媲美商用产品；阿拉伯胶改性废弃PVC膜亲水性、渗透性及抗污性显著提升；废弃PS基膜经纳米改性后适用于超滤领域。微塑料也可作为陶瓷膜的造孔剂，PS颗粒因粒径均匀、热分解无残留，掺入TiO₂、Al₂O₃基体后可形成可控多孔结构，提升渗透性与力学性能；回收聚合物还可作为陶瓷膜表面改性剂，改善抗污性与能效。然而，洗衣微塑料的升级回收面临多重挑战：其与常规塑料废物不同，常附着洗涤剂残留、有机物及微量金属，需多步清洗纯化，产生二次废水并推高成本；聚合物组成复杂，包含腈纶、PA、PET、聚丙烯（PP）等多种不相容组分，微米级混合塑料的高效分离技术缺失，密度分拣无法区分密度重叠的聚合物，需结合光谱分选等步骤，进一步增加能耗与成本；微塑料浓度低，收集、浓缩、分离、纯化过程能耗大，经济性远低于传统塑料回收。因此，微纤维升级回收目前仍属长期研究方向，需通过生命周期评价、技术经济分析及中试验证其环境与经济效益，突破后方可实现从废物到高值材料的转化，支撑水处理领域的循环经济发展。
3. 5.
   Microbial Presence and Biofouling in Laundry Wastewater
   洗衣的核心目标之一是降低微生物负荷至卫生可接受水平，但常规家庭洗涤难以实现完全灭菌，微生物削减效果受温度、洗涤剂配方及周期时长影响：40–60°C高温配合活性氧漂白剂可有效灭活金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌等 vegetatives病原体，而<40°C的低温洗涤（节能模式）对微生物灭活有限，易导致机会性生物膜形成菌持留。洗涤过程中的机械搅动可使织物上大量微生物脱落进入废水，废水中存在的体液、皮屑、织物残屑等有机底物，加上残留表面活性剂与适宜温度，为微生物持留提供了有利环境。研究显示，洗衣废水中细菌浓度可达10⁴–10⁵cells/mL，30°C洗涤的灰水活菌计数甚至高于进水，表明洗涤过程选择性富集了耐洗涤剂与生物膜相关类群。群落结构分析显示，γ-变形菌纲在废水中显著富集，优势菌属包括Enhydrobacter、葡萄球菌属、棒状杆菌属及假单胞菌属，这些微生物适应波动环境，耐受洗涤剂与营养限制。真菌与酵母同样存在于废水中，构成多样微生物群落。临床相关微生物如ESKAPE病原体（粪肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌及肠杆菌属）可在洗涤后织物及洗衣机内部组件定植，已有案例报道产超广谱β-内酰胺酶肺炎克雷伯菌通过家庭洗衣机污染新生儿织物导致感染。现有研究一致显示，前门封条、洗涤剂抽屉等持续湿润、难清洁部位微生物负荷最高，假单胞菌属、不动杆菌属、葡萄球菌属、微球菌属及红冬孢酵母、念珠菌、枝孢霉等真菌为优势类群，但这些数据均源于洗衣机内部组件或洗涤用水，尚无研究直接表征外置微塑料过滤器的微生物群落。废水中有机物、表面活性剂、悬浮固体与微塑料纤维共存，促进微生物聚集与生物膜形成：微生物易附着于疏水性合成微纤维表面，形成“塑料圈”并分泌EPS发展为成熟生物膜，随洗涤周期持续排放进入管网。虽然外置过滤器作为微纤维与微生物的共同截留点，其内部累积的有机物与颗粒物为微生物定植提供了理想条件，但其微生物定植与生物膜形成特征仍需实验验证，这一空白对过滤器设计与运行具有重要影响。
4. 6.
   Microbial Colonization of Microplastic Filters
   洗衣废水中的多样微生物随排水流经过滤器时，易被物理截留或吸附于滤膜表面及微纤维上，使过滤器成为微生物富集位点。过滤器精细的筛网或多孔介质结构提供了巨大的微生物附着表面积，截留的微塑料本身作为疏水性基底，可促进微生物黏附并形成具有独特功能的“塑料圈”群落，可能包含机会性致病菌，提升卫生风险。累积的有机物与残留洗涤剂则为微生物生长提供碳源与营养，推动生物膜发展：其过程包括可逆附着、不可逆附着、EPS介导的成熟及部分脱落再定植，成熟生物膜将微生物、微纤维与有机物黏结为致密基质，增强对环境胁迫的抵抗力。洗涤剂中的表面活性剂如十二烷基硫酸钠（SDS）虽被报道在特定浓度下可抑制生物膜形成，但相关结论多来自单一菌株与SDS模型系统，与实际洗衣废水中的主要表面活性剂LAS研究不足有关；生物膜抑制效果具有底物依赖性，疏水性塑料表面的微生物附着反而可能被促进；且家庭洗涤周期短，难以杀灭嵌入微纤维层的成熟生物膜或微生物，因此表面活性剂对外置过滤器生物污堵的实际影响尚不明确。生物污堵会显著影响过滤器性能：微纤维累积已被证实会增加跨膜压差、降低排水流速，生物膜生长将进一步加剧物理污堵——其定植于截留微纤维层，缩小有效孔径，提升水力阻力，极端情况下可能引发旁路流，损害过滤可靠性。但目前尚无研究定量区分物理堵塞与生物膜导致的压差贡献，需开展周期分辨的测量工作。卫生层面，莫拉克斯菌属等致臭菌的增殖会引发异味，降低用户接受度；代谢产物与挥发性物质可能释放回洗涤系统或室内环境，导致织物二次污染。虽然尚无直接证据，但基于洗衣机内部组件的已知风险，外置过滤器可能成为临床相关微生物的持留位点，尤其在洗涤医护工作服或居家护理织物时，可能增加家庭再污染风险；生物膜还可能促进抗菌耐药基因的水平转移，而手动拆卸清理过滤器的过程也可能使用户暴露于微生物与污染物中。这些潜在卫生风险需通过实验研究加以验证，为过滤器卫生设计规范提供依据。
5. 7.
   Conclusions
   洗衣废水释放的微塑料纤维因持续排放与环境持久性成为微塑料污染的主要来源，洗衣机微塑料过滤器作为源控制技术，可在废水排放前有效削减微纤维通量。本综述系统梳理了微纤维截留技术的最新进展，涵盖内置与外置过滤系统及膜基处理工艺，提出将截留微塑料升级回收为聚合物与陶瓷膜材料的可持续路径，凸显了陶瓷膜等高效率、抗污堵膜材料的工程应用潜力。同时，重点强调了洗衣废水过滤系统中被忽视的微生物累积与生物污堵问题：废水中微生物与截留微纤维及有机物结合，促进滤器内生物膜形成，进而损害过滤性能、运行稳定性及家庭卫生，并可能引发病原体持留与耐药基因传播风险。未来研究需聚焦标准化性能评价体系构建、抗污堵与长寿命过滤器开发、生物污堵机制解析及缓解技术优化，同时推进微塑料升级回收的技术经济可行性验证，以实现洗衣微塑料过滤技术的规模化、可持续应用。