Mikroplastiki w osadach ściekowych – narastający problem

Tworzywa sztuczne to półsyntetyczne lub syntetyczne polimery organiczne. Ich produkcja jest stosunkowo tania, ponadto są one lekkie, trwałe, wytrzymałe i odporne na korozję. Dlatego też są chętnie i powszechnie stosowane we wszystkich gałęziach przemysłu. Najczęściej stosowanymi polimerami są polipropylen (PP), polietylen o dużej gęstości (HDPE), polietylen o małej gęstości (LDPE), polistyren (PS), polichlorek winylu (PVC) oraz politereftalan etylenu (PET), które stanowią około 90% całkowitej światowej produkcji tworzyw sztucznych [1−3].

Tworzywa syntetyczne z biegiem czasu ulegają częściowemu zniekształceniu, nie ulegają jednak rozkładowi, nawet w ciągu kilkuset czy kilku tysięcy lat. Zmieniają swoją formę ze względu na ulatniające się z nich tzw. plastyfikatory. Po uwolnieniu plastyfikatorów stają się kruche i znacznie bardziej podatne na zniekształcenie i erozję mechaniczną. Tworzywa syntetyczne najszybciej rozpadają się w warunkach podwyższonej wilgotności, narażenia na promieniowanie słoneczne (głównie UV) oraz w wysokiej temperaturze. W zależności od rodzaju polimeru, z jakiego wytworzone są plastiki, po rozkładzie będą one miały różną formę. Tak powstają mikroplastiki [4].

Fot. © vladimirzuev – stock.adobe.com

Pojęcie „mikroplastiki”

W opracowaniach naukowych pojęcie „mikroplastiki” (ang. microplastics, MP) po raz pierwszy pojawiło się w roku 1972 podczas badań dotyczących zanieczyszczenia Morza Sargassowego tworzywem sztucznym. Autorzy zauważyli, że badane wody oprócz dryfujących śmieci tworzywowych zanieczyszczone są również fragmentami tworzywa sztucznego znacznie mniejszymi od 1 mm [3, 5]. W 2004 r. stwierdzono również obecność tworzyw sztucznych w próbkach z plaż i osadów dennych w okolicy Plymouth w Wielkiej Brytanii.

Rys. 1. Podział tworzyw sztucznych ze względu na ich wymiary [7]

Potrzeba standaryzacji terminologii pojawiła się jednak dopiero w 2008 r. podczas warsztatów badawczych dotyczących problemu występowania odpadów z tworzyw sztucznych w środowisku morskim organizowanych przez Amerykańską Narodową Służbę Oceaniczną i Meteorologiczną (ang. National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA) oraz Uniwersytet Waszyngtoński. W trakcie warsztatów doprecyzowano pojęcie „mikroplastiki”. Uznano wówczas, że to cząstki tworzywa sztucznego mniejsze niż 5 mm. Nie była to jednak definicja odgórnie narzucona, dlatego wartości dolnej i górnej granicy były wciąż kwestią dyskusyjną, co zauważyli M. Cole i in. w 2011 r. Aby uporządkować podział ze względu na wielkość elementów, wprowadzono pojęcia: „nanoplastiki”, „mezoplastiki”, „makroplastiki” oraz „megaplastiki” (rys. 1) [6−8].

Źródła mikroplastików

Mikroplastiki przedostają się do środowiska przez źródła pierwotne i wtórne.

Źródła pierwotne – mikroplastiki produkowane jako surowce przemysłowe (np. substancje złuszczające wykorzystywane w kosmetykach, materiały ścierne w gospodarstwach domowych, materiały do szlifowania kadłubów statków oraz przemysłowe produkty czyszczące) i w tej formie mogą one być uwalniane bezpośrednio do środowiska.

Na podstawie danych pochodzących z Danii, Szwecji, Norwegii i Niemiec sporządzono zestawienie głównych źródeł mikroplastików pierwotnych. Najliczniejszą grupę stanowią włókna pochodzące z materiałów syntetycznych, które uwalniane są podczas prania tekstyliów. Zarówno w pralniach przemysłowych, jak i w gospodarstwach domowych podczas prania dochodzi do ścierania i uwalniania włókien, które za pośrednictwem kanalizacji trafiają do oczyszczalni ścieków [8−10].

Kolejnym źródłem mikroplastików pierwotnych są opony, a dokładniej ich zewnętrzna część – bieżnik składający się z kauczuku syntetycznego (butadienowo-styrenowego), kauczuku naturalnego oraz wielu dodatków. To materiał elastyczny o dobrej przyczepności, co sprzyja przyciąganiu kurzu, a także innych zanieczyszczeń, w tym m.in. toksycznych metali ciężkich. To potęguje ich szkodliwy wpływ na środowisko. Drobiny przedostają się do gleby i wód, a mniejsze jego cząstki unoszą się w powietrzu i mogą być wdychane przez organizmy żywe.

Rys. 2. Źródła przedostawania się mikroplastików pierwotnych do środowiska [10]

Mikrokulki z tworzyw sztucznych stały się także powszechnym składnikiem produktów higieny osobistej, takich jak peelingi, szampony, pasty do zębów. Spełniają one funkcję złuszczającą, wypełniającą lub utrwalającą. Ze względu na małe rozmiary nie zawsze są skutecznie wyłapywane w trakcie procesów oczyszczania i mogą odpływać wraz ze ściekami oczyszczonymi do odbiorników, zanieczyszczając środowisko wodne [11].

Kolejne źródło mikroplastików pierwotnych to farby oraz materiały termoplastyczne, które stosowane są jako poziome oznakowania dróg. Ulegają one z czasem wietrzeniu oraz ścieraniu z nawierzchni, przedostając się do środowiska.

Ostatnim źródłem mikroplastików pierwotnych jest tzw. miejski kurz. Są to cząstki tworzyw sztucznych w połączeniu z cząsteczkami pochodzącymi z innych ciał stałych. Pył ten może tworzyć się zarówno na zewnątrz budynku, jak i wewnątrz. Emisja mikroplastików w budynkach odnosi się do wszelkich elementów, w których skład wchodzą tworzywa sztuczne, takie jak zabawki, meble, urządzenia elektroniczne czy dekoracje. Emisja mikroplastików poza budynkami związana jest głównie z robotami budowlanymi i pracami konserwacyjnymi [3].

Źródła wtórne − mamy z nimi do czynienia, gdy makroplastiki rozkładają się na mikroplastiki podczas ich eksploatacji lub w środowisku poprzez działanie wiatru, fal, promieniowania UV (rozkład butelek PET) lub działalności biologicznej organizmów morskich (np. rozdrabnianie i mielenie przez organizmy morskie). Mikroplastiki wtórne powstają w wyniku degradacji mezo- i makroplastików [2].

Szacuje się, że kraje europejskie przyczyniają się do powstawania w oceanach od 68,5 tys. do 275 tys. ton wtórnych mikroplastików w ciągu roku [3].

Miejskie oczyszczalnie ścieków uważa się za główne źródło uwalniania mikroplastików do ekosystemów wodnych, ponieważ zaprojektowano je, kładąc głównie nacisk na usuwanie z wysoką efektywnością (powyżej 80–95%) piasku i zawiesin opadających, związków biodegradowalnych rozpuszczonych w wodzie oraz biogenów (azotu i fosforu). Niewiele miejskich oczyszczalni ścieków wyposażonych jest na końcu procesu technologicznego w filtry piaskowe czy membranowe, które według naukowców mogą usuwać efektywnie mikroplastiki (rys. 3).

Rys. 3. Skuteczność różnych technologii oczyszczania ścieków w usuwaniu mikroplastiku [11]

>>> Jakie pompy do oczyszczalni ścieków?

>>> Odzysk energii z osadów ściekowych – piroliza, zgazowanie

>>> Odzysk energii z osadów ściekowych – fermentacja metanowa

Trochę faktów naukowych

Istnieją doniesienia, które wskazują na brak przesłanek, pozwalających na jednoznaczne stwierdzenie, że mikroplastiki nie są efektywnie usuwane w miejskich oczyszczalniach ścieków [12]. Badania w czterech holenderskich oczyszczalniach ścieków wykazały, że średnie stężenie mikroplastików na wylocie jest niższe od tego na wlocie i wynosi między 48 a 55 cząstek na litr [13]. Natomiast badania przeprowadzone w Glasgow wskazywały na 98,4-proc. redukcję mikroplastików w tamtejszej miejskiej oczyszczalni ścieków [14]. Niekiedy się uważa, że mikroplastiki mogą mieć negatywny wpływ na procesy oczyszczania, m.in. [15] zbadali wpływ pięciu najczęściej występujących w oczyszczalniach ścieków mikroplastików (PVC – polichlorek winylu, PP– polipropylen, PE – polietylen, PS – polistyren, PES – polieterosulfon) w stężeniach 0, 1000, 5000 i 10 000 cząstek MP/L na nitryfikację i denitryfikację w osadzie czynnym. Wyniki wskazują, że cząsteczki MP mają negatywny wpływ na szybkość utleniania amoniaku oraz szybkość utleniania azotu azotanowego (III) podczas nitryfikacji. Wysoka zawartość mikrocząsteczek PVC znacznie zwiększyła emisję N₂O podczas denitryfikacji. Emisja N₂O przy dawce PVC 10 000 MP/L była 4,6 razy wyższa niż w próbce kontrolnej.

Tab. Stężenia mikroplastiku w osadach ściekowych [5, 18]

Niestety również w technologii wykorzystującej tlenowy osad granulowany stwierdzono negatywny wpływ mikroplastików. Badania wykonane przez [16] wykazały jednak, że dodanie PES, czyli polieterosulfonu (polimer amorficzny reprezentujący tworzywa wysokotemperaturowe), hamowało usuwanie azotu amonowego w granulach tlenowych. Po dodaniu 0,5 g/LPES wystąpiło zahamowanie specyficznego współczynnika redukcji azotanów z 25,54 do 2,09 mg N/(g MLSS·h). Działanie oksydazy azotynowej w tlenowym osadzie granulowanym zostało zahamowane przez dodanie PES. Obecność MP spowodowała również zmniejszenie liczebności bakterii z rodzaju Bacillales, podczas gdy wzrosła liczebność bakterii z rodzaju Anaerolineaceae. Analiza potencjału metabolicznego mikroorganizmów wykazała, że dawka 0,5 g/L PES wpłynęła na obniżenie aktywności
cytochromu c i wzrost metabolizmu aminokwasów [16].

Wracając do kwestii konwencjonalnych oczyszczalni ścieków, podczas mechaniczno-biologicznego oczyszczania część mikroplastików ulega usunięciu przede wszystkim podczas wstępnej sedymentacji. Ze względu na oporność na biodegradację oraz działanie czynników fizycznych i chemicznych mikroplastik kumuluje się w osadach ściekowych (tab.). Przeprowadzone badania [17] 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 [5]. Ze względu na małą podatność na biodegradację mikroplastik wraz z ustabilizowanymi osadami ściekowymi trafia do gleby lub jest w inny sposób przetwarzany razem z osadami.

Część mikroplastiku wraz ze spływami powierzchniowymi może się przedostawać 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). Stężenie mikrozanieczyszczeń organicznych w mikroplastiku może wynosić od 1 do nawet 10 000 ng na 1 gram plastiku [18].

Już dzisiaj wiadomo, że mikroplastik z osadu ściekowego pozostaje w glebie znacznie dłużej niż składniki pokarmowe, zagrażając ekosystemom glebowym. Pierwsze badania zanieczyszczenia gleb rolniczych mikroplastikami pochodzącymi z zastosowania osadów ściekowych przeprowadzono prawie 16 lat temu [19]. Obecnie tylko nieliczne grupy badawcze zajmują się tą tematyką [20], ale to już temat na kolejne rozważania.

Podsumowanie
W świetle obecnie przeprowadzonych badań wydaje się, że problemem nie jest samo usuwanie mikroplastików ze ścieków, ale ich obecność w osadach ściekowych, które są wykorzystywane na szeroką skalę w rolnictwie. Obecnie nie ma wartości progowych dla mikrodrobin plastiku w glebach, a ilościowe określenie transportu mikrodrobin plastiku na polach i remobilizacja do innych obszarów środowiska jest bardzo trudna. Konieczne są zatem dalsze, szeroko zakrojone, badania dotyczące ilości mikroplastików i ich dróg krążenia w przyrodzie, źródeł pochodzenia, zanieczyszczeń adsorbowanych na ich powierzchni oraz możliwych efektów biologicznych ich działania.

dr inż. Dobrochna Ginter-Kramarczyk
Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechnika Poznańska

dr hab. inż. Izabela Kruszelnicka, prof. PP
Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechnika Poznańska

Literatura
1. Derraik J.G.B., The pollution of the marine environment by plastic debris: a review, „Marine Pollution Bulletin”, 44/2002.
2. Thompson R.C., Moore C.J., vom Saal F.S., Swan S.H., Plastics, the environment and human health: current consensus and future trends, „Philosophical Transactions of the Royal Society B”, 364, 2009.3. Ginter-Kramarczyk D., Kruszelnicka I., Tworzywa sztuczne wszechobecne w wodzie, „Wodociągi-Kanalizacja”, t. 10/2021.
4. Gao F., Li J., Sun Ch., Zhang L., Jiang F., Cao W., Zheng L., Study on the capability and characteristics of heavy metals enriched on microplastics in marine environment, „Marine Pollution Bulletin”, 144/2019.
5. https://sozosfera.pl/woda/mikroplastik-w-wodzie/.
6. https://eurlex.europa.eu/legalcontent/PL/TXT/HTML/?uri=CELEX:52018DC0028&from=SK.
7. Shim W.J., Hongab S.H., Eoa S.E., Identification methods in microplastic analysis: a review Anal. Methods, 9/2017.
8. Lee H., Kunz A., Shim W.J., & Walther B.A., Microplastic contamination of table salts from Taiwan, including a global review, „Scientific Reports”, 9/2019.
9. Microplastic in Danish wastewater Sources, occurrences and fate, 2017.
10. https://www.green-projects.pl/skad-sie-bierze-mikroplastik-problemem-dla-srodowiska/.
11. Talvitie J., Mikola A., Koistinen A., Setälä O., Solutions to microplastic pollution – Removal of microplastics from wastewater effluent with advanced wastewater treatment technologies, „Water Res”, 2017.
12. Klein S., Worch E., Knepper T. P., Occurrence and Spatial Distribution of Microplastics in River Shore „Environmental Science & Technology”. 19, 49(10), 2015.
13. Leslie H.A., Van Velzen M.J. M., Vethaak A.D., Microplastic survey of the Dutch environment. Novel data set of microplastics in North Sea sediments, treated wastewater effluents and marine biota, The Netherlands, 2013.
14. Murphy F., Ewins C., Carbonnier F., Quinn B., Wastewater treatment works (WwTW) as a source of microplastics in the aquatic environment, „Environmental Science & Technology”, 50(11)/2016.
15. Li D., Shi, Y., Yang L., Xiao L., Kehoe D.K., Gun’ko Y.K., Wang J.J., Microplastic release from the degradation of polypropylene feeding bottles during infant formula preparation, „Nature food”, 1(11)/2020.
16. Qin R., Su C., Liu W., Tang L., Li X., Deng X., Chen Z., Effects of exposure to polyether sulfone microplastic on the nitrifying process and microbial community structure in aerobic granular sludge, „Bioresource Technology” 302/2020.
17. Remy F. Collard F., Gilbert B., Compère P., Eppe G., Lepoint G., When microplastic is not plastic: the ingestion of artificial cellulose fibers by macrofauna living in seagrass macrophytodetritu, „Environmental Science & Technology”, 49(18)/2015.
18. https://seidel-przywecki.eu/2020/06/25/mozliwosci-usuwania-mikroplastiku-w-procesie-oczyszczania-sciekow/.
19. Zubris K., Brian R., Synthetic fibers as an indicator of land application of sludge, „Environmental Pollution”, 138/2005.
20. van den Berg P., Huerta-Lwanga E., Corradini F., Geissen V., Sewage sludge application as a vehicle for microplastics in eastern Spanish agricultural soils, „Environmental Pollution”, 261/2020.