《Journal of Water Process Engineering》：Circular-by-design biofiltration media from recycled polymers for decentralised wastewater treatment
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循环设计的回收聚合物生物滤料在分散式污水处理中的应用日益受到关注。全球约46%的人口仍缺乏安全管理的卫生服务，分散式及一体化污水处理系统在无集中式污水管网地区发挥着关键作用。生物滤池依赖固体载体介质为微生物附着和生物膜发育提供表面积，从而实现有机物和营养物的生
循环设计的回收聚合物生物滤料在分散式污水处理中的应用日益受到关注。全球约46%的人口仍缺乏安全管理的卫生服务，分散式及一体化污水处理系统在无集中式污水管网地区发挥着关键作用。生物滤池依赖固体载体介质为微生物附着和生物膜发育提供表面积，从而实现有机物和营养物的生物去除。传统滤料多源自矿物资源或原生合成聚合物，但存在重量大、加工能耗高、碳足迹大及依赖化石资源等问题。回收聚合物基滤料有望兼具高比表面积（SSA）、机械耐久性和设计灵活性，同时降低环境负担，并促进塑料废弃物资源化与循环利用。欧盟绿色新政、城市污水处理指令修订版、零废弃战略、可持续产品生态设计法规及塑料循环经济战略等政策框架均强调材料效率、废弃物减量与循环价值链。本综述通过文献计量分析，系统评估了回收聚合物基生物滤料在分散式污水处理中的性能，比较了不同反应器构型下的处理效果，识别了载体性质与处理结果之间的定量关系，并纳入技术经济、生命周期及安全性考量，以支持循环生物滤池系统的循证设计与实施。综述涵盖低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PU）及聚丙烯（PP）等多种回收聚合物的应用，分析了润湿性、粗糙度、孔隙率、机械性能及循环性等设计要素对生物膜形成和处理效率的影响，并探讨了老化、浸出及微塑料释放等环境权衡问题，强调需建立标准化测试方法以支撑大规模应用。
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引言
分散式及一体化污水处理系统在缺乏集中式污水管网地区发挥关键作用，全球约46%人口仍缺乏安全管理卫生服务。生活污水处理不足增加地表水和地下水污染风险，导致营养物负荷、微污染物扩散和生态系统退化。生物滤池依靠固体载体介质为微生物附着和生物膜发育提供表面积，实现有机物和营养物的生物去除，滤料选择是决定处理效率、运行稳定性和长期可持续性的关键因素。传统滤料包括矿物资源（砂、砾石、无烟煤、玄武岩基材料）和原生合成聚合物（聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC））以及天然有机材料。矿物介质广泛有效但重量大、加工能耗高、吸附容量有限；原生塑料载体耐久且水力效率高，但生产碳足迹高且依赖化石资源。自然重力流好氧生物膜反应器作为能量被动型分散式处理系统已广泛应用，历史上依赖高比表面积（SSA）矿物载体包括矿棉，但矿棉结构柔软易机械降解和压实。研究已探索农业副产品、工业残渣、废旧合成纤维和再加工塑料等替代滤料。生物基有机材料成本低、可再生，但机械稳定性差、易生物降解。回收聚合物基介质结合高表面积、机械耐久性和设计灵活性，同时减少环境负担。欧盟政策框架强调材料效率、废弃物减量和循环价值链。本综述系统整合反应器性能、载体设计、循环性和环境安全性，通过标准化水力与表面负荷指标比较性能，识别载体性质与处理结果间的定量关系，并纳入技术经济、生命周期和安全性考量。
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方法学路径
采用关键词组合进行文献计量检索，涵盖材料描述符、功能角色、反应器构型和可持续性概念。使用bibliometrix R包进行分析，在Web of Science检索获得200篇同行评审文章，排除非英语文献后共196篇，时间跨度1987至2026年。开展描述性指标、来源与国家生产力、关键词共现网络、主题图谱和主题演化分析。定量评估中，筛选报告回收或原生聚合物及矿物载体在固定膜、滴滤池、人工湿地或移动床构型中性能数据的研究，提取聚合物类型与废弃物来源、SSA、孔隙率、接触角、堆积密度、反应器类型与规模、进水强度、有机表面负荷或容积负荷、水力负荷率及去除效率等描述符，并尽可能归一化为通用单位。
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回收聚合物在水与污水处理中的新兴作用
废弃塑料产生量大且不可生物降解，但可转化为水处理功能材料。2024年欧洲塑料生产中仅15.4%为循环利用。回收聚合物与原生聚合物标称化学组成相同，但物理化学性质因先前使用、机械再加工、热历史和残留添加剂而不同，可能表现出更高表面粗糙度、氧化、链断裂或分子量分布异质性。回收聚合物可作为生物膜载体，也可通过化学或热升级循环转化为高面积吸附剂或膜材料。
3.1 低密度聚乙烯（LDPE）
研磨增加粗糙度和比表面积（最高约4.3 m2·m?3），改善油吸附性能。表面活化（如等离子体处理）增强润湿性和分离性能。化学改性LDPE吸附剂油吸附量约61 mg·g?1，再生率超过90%。LDPE还用于1–20 μm颗粒过滤的网状管过滤器及染料去除的LDPE-PP复合载体。
3.2 高密度聚乙烯（HDPE）
回收微塑料（主要为HDPE）与黏土模塑成复合载体颗粒，用于液固流化床生物反应器（FBBR）同步去除碳氮，平均出水COD低于45 mg/L，有机负荷率（OLR）为0.24–1.31 kg COD m?3 d?1。黏土-聚合物复合结构增加表面粗糙度并提供保护附着位点。
3.3 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）
碎PET和PP瓶作为固定膜/生物滤池介质提供约347 m2·m?3比表面积和约92%孔隙率。好氧固定膜系统中碎PET实现COD约86%、氮64–77%、总磷（TP）约87%的高去除率。上流式厌氧污泥床反应器（UASB）和厌氧生物滤池（ABF）组合系统填充碎PET瓶，出水BOD?平均28 mg/L、COD 38 mg/L、TSS 85 mg/L，满足不丹排放限值。PET瓶盖作为移动床生物膜反应器（MBBR）和序批式生物膜反应器（SBBR）生物载体，COD去除率最高88%，染料去除约99%。
3.4 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）
碎回收ABS用于生活污水垂直流过滤器，实现BOD?约94%、COD约78%、TSS约93%的去除率。不规则碎屑形态提供保护附着位点，促进快速生物膜建立。ABS与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）复合增加孔隙率并改善纤维润湿性。
3.5 聚苯乙烯（PS）
废PS切割成条状用作移动床反应器浮动载体。PS可转化为膜前体，化学改性发泡聚苯乙烯（EPS）制成中空纤维用于染料截留，PS-PVDF超滤共混膜实现稳定高染料去除。废PS瓶作为生物膜介质实现生活污水总氮去除率超过65%。PS疏水性可能限制硝化菌附着。
3.6 聚氨酯（PU）
回收PU泡沫作为苯酚降解菌群载体，维持20个循环，苯酚去除率95%，氨去除率65%。MBBR比较中，PP-PU泡沫载体因更高孔隙率在萘和COD去除方面优于PP或LDPE-PP载体。PU载体填充的MBBR在高有机负荷下相比活性污泥反应器具有更高硝化潜力和韧性。互联孔网络促进生物量截留和好氧-缺氧生物膜分层。
3.7 聚丙烯（PP）
波纹PP片材上生物膜实现有机物去除90%、铵氮去除93%。波纹几何显著增加有效表面积并创造庇护区域。PP外壳填充或不填充发泡聚苯乙烯颗粒用作巴西生活污水生物处理系统滤床。
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生物滤料设计考量
生物滤料须同时满足微生物学、形态学和力学要求，同时可从回收流制造并在寿命末期回收。高SSA和充足保护表面促进初始微生物附着和稳定生物膜发育。孔隙率和空隙率须平衡以支持传质而不产生过度水头损失。表面改性如等离子体或氧化处理可增加润湿性。
4.1 材料性质与微生物性能的机制联系
4.1.1 润湿性
润湿性控制定殖的限速步骤。初始细菌附着由细胞-基底界面范德华力、静电和酸碱相互作用平衡决定；较高载体表面能（较低水接触角）降低界面能垒，加速可逆向不可逆附着转变。亲水性PET（水接触角约77°）支持快速强附着和短启动时间，而疏水性聚烯烃（LDPE、PP、PS）优先招募异养菌，需等离子体或氧化活化后慢生硝化菌才能建立。水接触角约40–80°的载体为硝化菌附着提供有利条件，强疏水表面（>90°）通常需表面活化。
4.1.2 粗糙度与形态
粗糙度和形态创造保护生态位，屏蔽早期定殖者免受脱落剪切力，浓缩胞外聚合物（EPS），稳定生物膜并减少脱落。过度光滑表面支持更薄、更频繁脱落的生物膜，直接转化为低监管分散式装置中出水水质不稳定。适度增加粗糙度在机制上有利，直至磨损开始释放细屑。
4.1.3 孔隙率与空隙率
孔隙率和空隙率控制传质和实现同步硝化-反硝化的氧化还原分层。成熟生物膜中氧和底物仅穿透数十至数百微米即被消耗，因此单个载体上共存好氧外壳和缺氧/厌氧核心。高孔隙率介质（如PU泡沫）通过深度延伸梯度并截留慢生功能菌，赋予冲击负荷下硝化韧性。空隙率约90–95%常见于高性能附着生长系统。矿棉具有明确双孔隙结构：流动部分通过互连大孔传导对流流动，不流动部分在微孔、盲端孔和聚集体内空间截留滞止水。
4.1.4 体积力学性质
体积力学性质决定寿命而非瞬时去除。柔软弹性泡沫（PU）允许深层生物量穿透但在持续水力负荷下压缩，逐渐降低空隙率并增加水头损失；刚性载体（PET、ABS）抗变形但可能疲劳微裂纹并脱落细屑。矿棉饱和态软化和0.08 MPa胞塌陷应力定量了回收聚合物载体须避免的压实失效模式。设计原则是选择满足所需表面积和接触时间的最小孔隙率和最大刚度。有效附着生长通常需要最小比表面积约100 m2 m?3结合90–95%空隙率。紧凑系统针对高率碳去除需更大比表面积约350–450 m2 m?3。硝化系统应在相对低有机表面负荷下运行，溶解氧（DO）浓度维持在约2 mg/L以上。
4.2 化学性质
化学性质主要通过表面能、疏水性和电荷影响微生物附着行为和群落发育。回收聚烯烃如LDPE、PP和PS天然疏水，倾向于促进异养菌早期定殖，而表面氧化、等离子体处理或化学共混可增加亲水性并增强硝化菌等慢生生物附着。残留添加剂、颜料或氧化产物可刺激或抑制微生物生长。聚合物老化通过氧化、微裂纹或链降解逐渐改变表面性质，影响附着强度并可能促进微塑料释放。能代谢聚合物衍生单体的微生物已被鉴定，工程微生物菌群可有助于原位降解释放碎片。回收聚合物载体通常支持与原生或矿物介质上相当的微生物群落，表明结构性质在决定长期生物膜行为中常优于化学组成。
4.3 形态
载体形态（涵盖表面纹理、内部结构和颗粒几何）控制生物膜结构。粗糙不规则表面（机械回收聚合物特征）增加有效表面积并促进生物量截留。碎PET薄片常被有意粗糙化以加速启动期间生物量附着；多孔PU泡沫通过互连孔网络提供内部附着位点；不规则ABS颗粒因高表面复杂度支持快速生物膜建立（约21天）。光滑或压实介质支持更薄、更易脱落的生物膜。随生物膜成熟，载体结构和几何日益控制分层微生物群落发育。高孔隙率或结构化介质支持好氧外层和缺氧/厌氧内层共存，实现单个载体颗粒内同步碳去除和氮转化。滴滤池设计框架将SSA识别为控制处理能力的关键结构参数。生物膜载体SSA通常为100–820 m2 m?3，空隙率15–98%。回收PET瓶切碎成更小薄片可将SSA从40×40 mm时的347 m2 m?3提高至30×30、20×20和10×10 mm时的1425、1623和1903 m2 m?3。同一研究选择较大40×40 mm薄片进行长期中试运行以保留更大空隙体积并防止生物量驱动堵塞，说明表面积与堵塞抗力间的形态介导权衡。回收ABS颗粒结合不规则碎屑几何（0.4–3.0 cm级分）与45%床层孔隙率和1.1 g cm?3低堆积密度。
4.4 力学性质
较软聚合物如PU泡沫允许更深生物量穿透并建立厚实韧性生物膜，而刚性载体如PET或ABS提供稳定支架抵抗水力负荷下变形。机械耐久性同样关键，因为压实、磨损和疲劳转化为水头损失增加、堵塞和潜在细屑释放。矿棉的运行软化和压实趋势凸显载体变形如何破坏重力流系统长期性能。回收聚合物载体应针对现实剪切和曝气条件下的压缩和耐磨性进行工程化。水力上，介质几何须与反应器构型和运行条件匹配，使水力负荷率、空床接触时间（EBCT）和生物膜脱落动力学不损害稳定性或服务间隔。
4.5 载体材料循环性
循环设计将介质与其原料和寿命末期路径连接。单一材料设计耐受机械回收流的变异性并简化下游回收，化学回收输入可在需要严格公差处恢复近原生性质。最小化添加剂包、明确标识聚合物、实现拆卸或回收合同是增加重复技术循环可能性的实际措施。生物膜-材料相互作用直接影响处理结果。强锚定生物膜改善硝化性能，平衡剪切应力促进受控脱落，维持高表面可用性而不导致堵塞或洗出。未来报告应一致披露SSA、空隙率、密度、接触角、抗压强度和磨损损失，并随时间跟踪水头损失和脱落。
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基于介质的系统中污染物去除机制
附着生长系统可分为四类：好氧固定膜和滴滤池、移动床生物膜反应器（MBBR）、厌氧或缺氧固定膜反应器（如UASB-厌氧生物滤池系统）以及人工湿地和填充床。介质保留生物量的通用作用在四种构型中相同，但控制性能的性质因系统和污染物而异。有机碳（COD/BOD）去除在每种构型中通过好氧生物膜外层异养氧化进行，限速阻力是底物和氧向生物膜内扩散，因此控制介质性质是比表面积（设定总反应界面）和润湿性（设定界面定殖速率和完整性）。亲水性高SSA的PET和ABS在好氧固定膜和MBBR任务中实现78–88% COD去除。厌氧固定膜系统中碳通过发酵和产甲烷去除，介质作用转向截留慢生厌氧菌防止洗出，偏好高空隙率以防止气体驱动堵塞。氮去除依赖生物膜内好氧和缺氧微环境共存，使载体孔隙率、生物膜厚度和保护表面积尤为重要。多孔PU泡沫通过深度维持氧化还原梯度，截留功能性硝化菌并在冲击负荷下赋予硝化韧性，同时伴随苯酚去除实现高达65%氨去除；碎PET在成熟分层生物膜发育后维持64–77%总氮去除。
