Możliwości usuwania mikroplastiku w procesie oczyszczania ścieków

Wprowadzenie

Mikroplastik definiowany jest zazwyczaj jako cząstki tworzyw sztucznych o rozmiarach od 1 μm do 5 mm [1, 2]. Oznaczenie mikroplastiku o rozmiarach 1 – 45 μm jest trudne i wymaga zastosowania specjalnych podbieraków (np. Sammlera van Dorna), a następnie wydzielenia w warunkach laboratoryjnych najdrobniejszych frakcji poprzez filtrację próżniową przez filtry o odpowiedniej wielkości porów/ oczek. Wówczas, gdy próbki ścieków są pobierane tradycyjnie, z użyciem sieci planktonowych typu Manta czy Bongo, najczęściej oznaczane są frakcje mikroplastiku o rozmiarach > 330 μm [2 – 4]. Pomimo tego, że zagrożenia wynikające z obecności mikroplastiku w środowisku wodnym są znane od lat 60. XX wieku, a oczyszczalnie są uznawane za istotne źródło tych mikrozanieczyszczeń, do tej pory nie wprowadzono przepisów prawnych nakazujących analizę i ograniczanie ładunków tych mikrozanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych. Jedynie nieliczne kraje wprowadziły do chwili obecnej, lub wprowadzają przepisy dotyczące ograniczenia produkcji i sprzedaży kosmetyków zawierających mikroplastik. W Stanach Zjednoczonych od 1 lipca 2017 r. został wprowadzony zakaz produkcji produktów higienicznych, które zawierają mikroplastik, za wyjątkiem tych zawierających mikroplastik biodegradowalny. Od 1 lipca 2018 r. wprowadzony zostanie w USA zakaz sprzedaży kosmetyków zawierających niebiodegradowalny mikroplastik. Należy podkreślić, że tego rodzaju przepisy wprowadzono nie tylko na poziomie federalnym, ale odrębne uregulowania wprowadziły także wybrane stany USA, jak Ilinois, Maine, Kolorado i Wiskonsin [5]. Od 1 stycznia 2018 roku zakaz produkcji niebiodegradowalnego mikroplastiku wprowadzono w Kanadzie, od czerwca 2018 roku nie będzie można w tym kraju także sprzedawać kosmetyków zawierających mikroplastik. Od stycznia 2018 roku zakaz produkcji kosmetyków zawierających mikroplastik obowiązuje także w Wielkiej Brytanii (od czerwca 2018 r. wprowadzony będzie zakaz ich sprzedaży). Podobne regulacje wejdą w życie w czerwcu 2018 r. w Nowej Zelandii. We Włoszech natomiast planowane jest wprowadzenie zakazu sprzedaży kosmetyków zawierających mikroplastik od 2020 r. [6].

Źródła i rodzaje mikroplastiku w ściekach surowych

Mikroplastik, który znajduje się w ściekach to przede wszystkim mikrodrobiny pochodzące z kosmetyków (peelingi, pasty do zębów) oraz włókna z tkanin (przedostające się do ścieków podczas prania) [7]. Według danych z 2012 roku około 6% peelingów zawierało mikroplastik. Występował on w nich przede wszystkim w postaci polietylenu i polipropylenu o rozmiarach od 450 do 800 μm [8].

Jak wskazują Kalauvroziotis i wsp. [9] mikroplastik może przedostawać się do oczyszczalni ścieków dwoma drogami: wraz ze ściekami bytowymi, ale także (w przypadku kanalizacji ogólnospławnej) wraz ze spływami powierzchniowymi. Zawartość mikroplastiku w ściekach deszczowych zależy w dużej mierze od rodzaju nawierzchni, z której są odprowadzane, a także od stopnia uprzemysłowienia. Badania wskazują, że mikroplastik może przedostawać się do ścieków wraz ze spływami z dróg, na które przedostaje się z opon samochodowych. Źródłem mikroplastiku w ściekach mogą być także farby i lakiery [1]. Mikroplastik dopływający ze ściekami do oczyszczalni to przede wszystkim tzw. mikroplastik pierwotny. Podczas oczyszczania ścieków część zawartych w nich tworzyw sztucznych może ulegać rozdrobnieniu tworząc tzw. mikroplastik wtórny [7, 10].
Mikroplastik obecny w ściekach jest często klasyfikowany ze względu na kształt na: włókna, skrawki, fragmenty folii, czy granulki. Drobiny mikroplastiku składają się z różnych tworzyw sztucznych, takich jak: polietylen, polipropylen, polichlorek winylu, polistyren, poliuretan, politereftalan etylenu, poliamid. Te rodzaje mikroplastiku są często analizowane w ściekach. Na mikroplastik mogą się jednak składać także inne rodzaje tworzyw, takie jak: polietylen-co-octan-etylu (EVA), kopolimer akrylowy (AC), krospolimer akrylowy (ACS), czy polikwaternium 7 (P-7). Te ostatnie tworzywa znajdują się przede wszystkim w kosmetykach, jednak ich stężenia w ściekach analizowane są rzadko. Dostępne dane wskazują, że w ściekach występują przede wszystkim takie tworzywa, jak poliester, poliamid, polipropylen oraz akryl i PVC w zależności od oczyszczalni [11, 12]. (rodzaje tworzyw sztucznych w ściekach prezentuje tab. 1 – przyp. sozosfera.pl).

Szacuje się, że stężenie mikroplastiku w ściekach surowych dopływających do oczyszczalni może mieścić się w granicach od kilku do kilkuset tysięcy w 1 m3 ścieków (tab. 2). Dotychczas prowadzone badania wykazały, że w ściekach dopływających do oczyszczalni mikroplastik występuje przede wszystkim w postaci włókien, które stanowią zazwyczaj ok. 70% tego rodzaju mikrozanieczyszczeń dopływających do oczyszczalni (tab. 2). Pozostałe frakcje mikroplastiku występują w mniejszych udziałach procentowych. Porównanie wyników badań uzyskiwanych przez różnych autorów jest utrudnione ze względu na wyodrębnianie przez nich różnych podziałów tych mikrozanieczyszczeń.

Tab. 1. Rodzaje tworzyw sztucznych w ściekach [8]

Tab. 2. Stężenia mikroplastiku w ściekach surowych według różnych autorów

Usuwanie mikroplastiku podczas oczyszczania ścieków jest niezmiernie istotne ze względu na dużą oporność tego rodzaju mikrozanieczyszczeń na rozkład biologiczny.
Kwestią, na którą należy zwrócić uwagę analizując i porównując wyniki prac badawczych uzyskanych przez różnych autorów jest fakt, że dominującymi frakcjami w ściekach są te poniżej 300 μm [4]. Również badania prowadzone w Danii wykazały, że w ściekach surowych mediana rozmiarów mikroplastiku wynosiła ok. 50 μm [12]. Oznaczając frakcje powyżej tej wartości można uzyskać wyniki, które będą znacząco zaniżone.

Bilans mikroplastiku w oczyszczalniach ścieków

Podczas oczyszczania ścieków w oczyszczalniach według różnych źródeł usuwane jest od 50 do 99,96% mikroplastiku [13]. Dane literaturowe oraz badania własne wskazują, że podczas oczyszczania ścieków do 90% mikroplastiku usuwane jest podczas sedymentacji w osadnikach wstępnych. Badania przeprowadzone przez Remy i wsp. [16] wykazały, że mikrowłókna tworzyw sztucznych, które stanowią duży udział mikroplastiku w ściekach surowych mieszają się z włóknami celulozowymi (papier toaletowy oraz resztki roślinne) i wraz z nimi są efektywnie usuwane ze ścieków podczas sedymentacji wstępnej. Tworzywa sztuczne o mniejszej gęstości kumulują się także w pianie, która flotuje na powierzchnię osadników wstępnych lub odtłuszczaczy [10]. Efektywność usuwania mikroplastiku podczas mechanicznego oczyszczania ścieków zależy od rozmiarów cząsteczek oraz ich gęstości. Badania wykazały, że podczas mechanicznego oczyszczania ścieków efektywnie sedymentują i/lub flotują cząsteczki polietylenu lub polipropylenu o rozmiarach 20 – 500 μm, efektywność usuwania wzrasta wraz ze wzrostem rozmiarów mikrocząsteczek tworzyw sztucznych. Sedymentacja wstępna stanowi efektywny proces usuwania mikroplastiku, który często nie jest wykorzystywany w mniejszych oczyszczalniach ścieków. W oczyszczalniach tych, zwłaszcza, gdy stosowana jest symultaniczna stabilizacja tlenowa ścieki kierowane są bezpośrednio do komór osadu czynnego, gdzie będą flotować w wyniku napowietrzania.

Efektywne usuwanie mikroplastiku o rozmiarach powyżej 100 μm można także uzyskać w procesie cedzenia na mikrositach, natomiast tradycyjne kraty rzadkie i średnie nie usuwają tych mikrozanieczyszczeń [17]. Część mikroplastiku może być natomiast usuwana ze ścieków na kratach i sitach gęstych (o rozstawie prętów, średnicach oczek 2 – 10 mm) [8].

Usuwany ze ścieków mikroplastik gromadzi się przede wszystkim w osadach surowych, z którymi trafia do sektora przeróbki osadów. Ze względu na małą podatność na biodegradację mikroplastik wraz z ustabilizowanymi osadami ściekowymi trafia do gleb lub jest w inny sposób przetwarzany wraz z osadami. Stężenia mikroplastiku w osadach ściekowych przedstawiono w tab. 3.

Osady ściekowe zawierają przede wszystkim mikroplastik w postaci włókien. Obecność mikroplastiku w osadach, kiedy te są stosowane w rolnictwie stwarza poważne zagrożenie dla środowiska. Część mikroplastiku wraz ze spływami powierzchniowymi może przedostawać się z osadów (gleb) do wód powierzchniowych [8].

Niebezpieczeństwo wiąże się także z faktem, że na powierzchni cząsteczek mikroplastiku mogą się adsorbować duże ilości hydrofobowych, toksycznych mikrozanieczyszczeń, takich jak wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), polichlorowane bifenyle (PCB) czy polibromowane estry difenylu (PBDFs) [8]. Na mikroplastiku mogą się także sorbować metale ciężkie. Brak jest danych odnośnie stężeń tych mikrozanieczyszczeń zaadsorbowanych na mikroplastiku obecnym w osadach ściekowych, dane wskazują jednak, że np. w Oceanie Atlantyckim ok. 50% odpadów plastikowych zawiera PCB, 40% pestycydy, i prawie 80% WWA. Stężenie mikrozanieczyszczeń organicznych w mikroplastiku wynosić może od 1 do nawet 10 000 ng na 1 gram plastiku [8].

Tab. 3. Zawartości mikroplastiku w osadach ściekowych

Ścieki oczyszczone zawierają ok. 1 – 10% mikroplastiku obecnego w ściekach surowych. Według Magnussona i Wahlberga w ściekach oczyszczonych pozostaje ok. 10 – 30% mikroplastiku o rozmiarach cząstek 20-300 μm, i zaledwie 0-1% cząsteczek o rozmiarach powyżej 300 μm [20]. Nawet takie ładunki wprowadzane do wód powierzchniowych stanowią istotne zagrożenie dla organizmów wodnych. Z tego względu należy rozważyć, czy można zwiększyć stopień usuwania mikroplastiku ze ścieków. Badania prowadzone w krajach skandynawskich wskazują, że większe stopnie usuwania mikroplastiku ze ścieków osiągane są w oczyszczalniach stosujących tzw. trzeci stopień oczyszczania, m.in. filtrację. Talvitie i wsp. [4] wykazali, że filtracja przez filtr pośpieszny piaskowy pozwala na usunięcie ok. 97% mikroplastiku w ściekach po osadniku wtórnym. Filtracja jest efektywną metodą usuwania przede wszystkim w odniesieniu do większych cząsteczek mikroplastiku. Według McCormica i wsp. w przypadku frakcji < 300 μm efektywność tej metody jest niezadowalająca [21]. Natomiast [17] podają, że filtracja przez filtry z jedno- i dwumedialne pozwala także na usunięcie ok. 90% cząsteczek o rozmiarach 10 μm i praktycznie całkowicie usuwa mikrocząsteczki o rozmiarach 20 μm i powyżej. W procesie filtracji nie są natomiast usuwane cząsteczki o rozmiarach ok. 1 μm.

Bardzo dobre efekty daje oczyszczanie ścieków w reaktorach membranowych, w reaktorze typu MBR, uzyskano praktycznie 100% usunięcie mikroplastiku ze ścieków [4]. Należy jednak podkreślić, że mikroplastik ten w tym przypadku kumulować będzie się w osadzie nadmiernym. Procesy membranowe wykorzystuje także jedyna obecnie sprzedawana technologia reklamowana jako pozwalająca na usuwanie mikroplastiku ze ścieków VeSave [22].

Bilans mikroplastiku w oczyszczalni ścieków można przedstawić, jak na rys. 1 i 2. Ilustrują one dobrze zjawisko usuwania mikroplastiku w procesach oczyszczania mechanicznego oraz kumulowanie się tych mikrozanieczyszczeń w osadach ściekowych.

Rys. 1. Bilans mikroplastiku w oczyszczalni ścieków wg Talvitie [3]

Rys. 2. Bilans mikroplastiku w oczyszczalni ścieków (według badań własnych)

Należy pamiętać, że zwiększanie stopnia usuwania zanieczyszczeń z fazy ciekłej (ścieków) powoduje przesuwanie mikroplastiku z jednej fazy do drugiej (osady ściekowe). Metody usuwania mikroplastiku z osadów nie zostały dotychczas opracowane.

Wnioski

1. Mikroplastik jest efektywnie usuwany w procesach oczyszczania ścieków stosowanych w istniejących oczyszczalniach. Znacząca część tych mikrozanieczyszczeń usuwana jest podczas sedymentacji wstępnej i/lub flotacji.
2. Stopień usunięcia mikroplastiku ze ścieków wynosi ok. zwykle < 90%, efektywniej usuwane są cząstki o rozmiarach > 100 μm.
3. Większe stopnie usuwania zanieczyszczeń są uzyskiwane w oczyszczalniach stosujących tzw. trzeci stopień oczyszczania.
4. Zwiększenie efektywności usuwania mikroplastiku ze ścieków można uzyskać stosując takie procesy, jak: filtracja oraz procesy membranowe.
5. Problemem związanym z oczyszczaniem ścieków jest kumulowanie się tych mikrozanieczyszczeń w osadach ściekowych. Zawarte w osadach cząsteczki mikroplastiku, ze względu na to, że nie ulegają degradacji w środowisku pozostają na trwałe w glebach, do których wprowadzane są wraz z osadami. Na powierzchni mikroplastiku adsorbują się ponadto toksyczne mikrozanieczyszczenia organiczne, jak WWA czy PCB, które uwalniając się do środowiska przyczyniają się do jego skażenia.

Literatura

1. Verschoor A., de Poorter L., Drӧge R., Kuenen J., de Valk E., Emissions of microplastis and potential mitigation measures. Abrasive cleaning agents, paints and tyre wear, RIVM Report 2016 – 0026, National Institute for Public Health and the Environment, Bilthoven, the Netherlands 2016.
2. Andrady A. L., Plastics and Environmental Sustainability: Fact and Fiction”, John Wiley & Sons, 2015.
3. Talvitie J., Mikola A., Heinonen M., Koistinen A., How well is microlitter purified from wastewater? A detailed study on the stepwise removal of microlitter in a tertiary level wastewater treatment plan”, Water Research, 109, 164-172, 2017.
4. Talvitie J., Mikola A., Koistinen A., Setäla O., Solutions to microplastics pollution, Removal of microplastics from wastewater effluent with advanced wastewater treatment technollgies, Water Research, 123, 401 – 407, 2017.
5. Microbead-Free Waters Act of 2015: H. Rept. 1321 (114th).
6. Ban on microbeads in UK, Italy and New Zealand. 2018. https://www.plasticsoupfoundation.org/en/2017/12/ban-on-microbeads-in-uk-italy-and-new-zealand/.
7. Browne A., Crump P., Niven S., Teuten E., Tonkin A., Galloway T., Thomson R., Accumulation of microplastic on shorelines worldwide: sources and sinks, Environmental Science & Technology, 45(21): DOI: 10.1021/es201811s, 2011.
8. Duis K., Coors A., Microplastics in the aquatic and terrestrial environment: sources (with a specific focus on personal care products), fate and effects, Environmental Science Europe, 28(1), 1 – 25, 2016.
9. In-Depth Report. Plastic Waste: Ecological and Human Health Impacts, Science for Environmental Policy, DG Environment News Alert Service, European Comission, November 2011.
10. Carr S.A., Liu J., Tesor A.G., Transport and fate of microplastics particles in wastewater treatment plants, Water Research, 91, 174-182, 2017.
11. Montoya D., Pollution in Sydney Harbour: sewage, toxic chemicals and microplastics, Briefing Paper No 03/2015.
12. Microplastic in Danish wastewater Sources, occurrences and fate, 2017.
13. Magnusson K. Norén F., Screening of microplastic particles in in and down stream a wastewater treatment plant, Swedish Environmental research Institute, Report, August 2014.
14. TemaNord, https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:923936/FULLTEXT01.pdf.
15. Leslie H.A., Moester M., de Kreuk M., Vethaak A., Verkennende studie naar lozing van microplastics door rwzi’s H2O, 14/15 45–47, 2017.
16. Remy, F. Collard, B. Gilbert, Compere P., Eppe G., Lepoint G., When microplastic is not plastic: the ingestion of artificial cellulose fibers by macrofauna living in seagrass macrophytodetritus, Environmental Science and Technology, 49 (18), 11158-11166, 2015.
17. Technical Review of Microbeads/Microplastics in the Chesapeake Bay, Report number: STAC Publication 16-002, Scientific and Technical Advisory Committee.
18. Science for Environmental Policy, http://ec.europa.eu/environment/integration/research/newsalert/pdf/study_suggests_anaerobic_digestion_may_reduce_microplastics_sewage_sludge_493na3_en.pdf.
19. Brandsma S.H., Nijssen P., van Velzen M., Leslie H.A., Microplastics in river suspended particulate matter and sewage treatment plants, Report R14/02, 2013.
20. Magnusson K, Wahlberg C (2014) Mikroskopiska skräppartiklar i vatten från avloppsreningsverk, IVL – Swedish Environmental Institute (cytowano za: Bethanie M., Carney A., Åström L.,1 Roslund S., Petersson H., Johansson M., Persson N., Quantifying shedding of synthetic fibers from textiles; a source of microplastics released into the environment, Environ Sci Pollut Res Int. 25(2), 1191–1199, 2018.
21. McCormic A., Hoellein T., London M., Hittie J., Scott J., Kelly J., Microplastic in surface waters of urban rivers: concentration, sources, and associated bacterial assemblages, Ecosphere, 10.1002/ecs2.1556, November 2016, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ecs2.1556/pdf.
22. http://www.dwe.dk/

dr hab. inż. Ewa Wiśniowska, Politechnika Częstochowska, Katedra Chemii, Technologii Wody i Ścieków

dr inż. Katarzyna Moraczewska-Majkut, Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Instytut Technologii Wody i Ścieków

dr hab. inż. Witold Nocoń, Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Instytut Technologii Wody i Ścieków

Artykuł pochodzi z dwumiesięcznika „Technologia Wody”; 3/2018. Tekst opublikowany za zgodą autorów i wydawcy – Wydawnictwa Seidel-Przywecki Sp. z o.o., w formie dostarczonej przez wydawcę.

fot. na otwarcie sozosfera.pl