Mikroplastik w środowisku i jego usuwanie w technologiach oczyszczania wody i ścieków

TITLE: Microplastic in the environment and its removal in water and wastewater treatment technologies

STRESZCZENIE: W ciągu ostatnich lat światowa produkcja tworzyw sztucznych szybko się rozwinęła, a powstające z tych tworzyw śmieci stały się jednocześnie jednym z najszybciej rosnących strumieni odpadów komunalnych na świecie. Rozkład tworzyw sztucznych do mikro- i nanodrobin pogłębia dodatkowo problem zanieczyszczenia środowiska tymi materiałami. Ze względu na małą gęstość i mały rozmiar tych cząstek są one łatwo odprowadzane do kanalizacji ściekowej, a następnie do oczyszczalni ścieków, które są ich głównymi odbiorcami przed zrzutem do zbiorników wodnych. Żadna ze stosowanych obecnie technologii oczyszczania ścieków czy uzdatniania wody nie jest przeznaczona do usuwania cząstek tworzyw sztucznych. Efektywność usunięcia mikroplastików z zastosowaniem różnych metod, w tym fizycznych, chemicznych czy biologicznych, daje zróżnicowane wyniki. Najlepsze efekty w zakresie usunięcia mikroplastiku z wody i ścieków uzyskuje się, stosując technologie hybrydowe czy zaawansowane procesy oczyszczania trzeciego stopnia w technologii oczyszczania ścieków.

SŁOWA KLUCZOWE: tworzywa sztuczne, mikroplastik, oczyszczanie wody i ścieków, metody fizyczne, chemiczne i biologiczne

SUMMARY: In recent years, the global production of plastics has developed rapidly, and the waste generated from them has also become one of the fastest growing municipal waste streams in the world. The decomposition of plastics into micro- and nanoparticles additionally aggravates the problem of environmental pollution with these materials. Due to the low density and small size of these particles, they are easily discharged into the sewage system, and then to the wastewater treatment plants, which are their main recipients before discharging them into water reservoirs. Among various wastewater and water treatment technologies that are in use today, none is designed to remove plastic particles. The effectiveness of microplastics removal using a variety of methods, including physical, chemical and biological ones, produces varying results. The best effects in terms of removing microplastics from water and wastewater are achieved by using hybrid technologies or advanced tertiary treatment processes in wastewater treatment technology.

KEYWORDS: plastics, microplastics, water and wastewater treatment, physical, chemical and biological methods

Jako że kwestia związana z tworzywami sztucznymi w rozmiarach mikrometrów, ale również i nanometrów jest problemem globalnym, istnieje potrzeba szczegółowej charakterystyki tych zanieczyszczeń w różnych technologiach oczyszczania w celu podsumowania efektywności ich usuwania z krytycznych technologii oczyszczania wody i ścieków.

W ostatnim stuleciu tworzywa sztuczne stały się nieodłączną częścią naszego codziennego życia. Pozwalają one na produkcję oryginalnych, praktycznych, lekkich, trwałych, a przy tym tanich przedmiotów. Biorąc pod uwagę wszystkie te zalety, nie dziwi fakt, że są one obecne w większości produktów w naszym otoczeniu. Jednak te same właściwości, które sprawiają, że są one tak użyteczne, utrudniają ich degradację [1].

Produkcja tworzyw sztucznych na dużą skalę rozpoczęła się około 1950 roku. W 2020 r. globalna, roczna produkcja tych tworzyw wyniosła 367 mln ton [2] (ryc. 1), a według Lebretona i Andrady’ego [3] przy obecnym tempie wzrostu szacuje się, że podwoi się ona w ciągu najbliższych 20 lat.

Największym światowym producentem tworzyw sztucznych są obecnie Chiny − ok. 32% ogólnej produkcji tworzyw sztucznych na świecie. NAFTA (North American Free Trade Agree­ment) − Północnoamerykański Układ Wolnego Handlu, obejmujący USA, Kanadę i Meksyk, jest drugim co do wielkości po Chinach regionem produkującym tworzywa sztuczne na świecie i odpowiada za 19% światowej produkcji. Produkcja tworzyw sztucznych w Europie wynosi 15% światowej produkcji (ryc. 2) [2].

Tworzywa sztuczne wykorzystywane są przede wszystkim w produkcji opakowań (40,5%) i w budownictwie (20,4%). Na trzecim miejscu znajduje się produkcja na potrzeby motoryzacji (8,8%). Pozostałe wykorzystanie tworzyw sztucznych to zastosowania w przemyśle meblarskim, w produkcji sprzętu elektrycznego i elektronicznego, zastosowania medyczne i inne [2].

Tak duże i szerokie wykorzystywanie tworzyw sztucznych przekłada się na fakt, że stały się one najszybciej rosnącym strumieniem odpadów komunalnych [4]. Statystyczny Europejczyk produkuje rocznie około 31 kg odpadów z tworzyw sztucznych, a przeciętny Amerykanin wyrzuca aż 84 kg takich śmieci rocznie [5]. Niestety, tylko od 6 do 26% tych odpadów jest poddawanych recyklingowi [6]. W 2015 r. oszacowano, że źle zarządzane odpady z tworzyw sztucznych stanowiły 6,3·10¹² kg, z czego 79% trafiło na wysypiska lub zostało uwolnione do środowiska [7]. Obecnie tworzywa sztuczne są wszędzie, nawet w najgłębszych oceanach, ale najczęściej kumulują się w morzach zamkniętych, takich jak Morze Bałtyckie [8]. Około połowa śmieci z tworzyw sztucznych, które trafiają do środowiska wodnego, to tworzywa sztuczne po przedmiotach jednorazowego użytku. W Europie prawie co sekundę znaleziony na plaży śmieć to jednorazowy kubek lub opakowanie [5].

Tworzywa sztuczne przedostające się do środowiska mogą pozostawać w nim przez setki, a nawet tysiące lat, podczas których ulegają degradacji w wyniku procesów biologicznych, fizycznych i/lub chemicznych do mniejszych cząstek, w tym do mikroplastiku (microplastics − MPs) [9]. Nazwa „mikroplastik” odnosi się do cząstek tworzyw sztucznych o wymiarach mniejszych niż 5 mm. Na podstawie wielkości cząstek tworzywa sztuczne dzielą się na różne kategorie, w tym: makroplastiki (> 25 mm), mezoplastyki (5-25 mm), mikroplastiki (100 nm − 5 mm) i nanoplastiki (< 100 nm) (ryc. 3) [10].

Mikroplastik – charakterystyka i źródła

Mikroplastiki dzieli się na pierwotne i wtórne. Za mikroplastiki pierwotne uważa się cząstki, które od samego początku występują w skali mikro i są używane głównie do produkcji kosmetyków, środków czyszczących czy odzieży. W przypadku mikroplastiku wtórnego cząstki powstają w wyniku rozpadu większych kawałków tworzyw sztucznych [6].

Mikroplastiki powszechnie występują w: atmosferze [11], glebie [12], oceanie [13], wodzie słodkiej [14] czy osadach dennych [15]. Utrzymują się w środowisku z uwagi na ich powolne tempo degradacji [16], w rezultacie powodując toksyczność przewlekłą ze względu na ich akumulację w organizmach [11]. Ponadto mogą oddziaływać negatywnie na organizmy żywe ze względu na wypłukiwanie zanieczyszczeń z tworzyw sztucznych (np. plastyfikatorów, środków zmniejszających palność) oraz działając jako wektor dla innych zanieczyszczeń [17-19].

Potencjalnych źródeł mikroplastiku może być wiele, przy czym wszystkie związane są z materiałami syntetycznymi. Mikroplastik może być uwalniany do środowiska z przemysłu tworzyw sztucznych (np. poprzez wycieki i wypadki podczas transportu), na skutek niewłaściwej utylizacji tworzyw sztucznych lub wraz z odciekami ze składowisk [20], w wyniku używania produktów higieny osobistej, takich jak pasta do zębów, płyn do mycia naczyń i żel pod prysznic [21], na skutek uwalniania się z odzieży podczas procesu prania [22] lub przedostawać się do środowiska wraz z depozycją mokrą lub ze spływem powierzchniowym [23, 24]. Ze względu na małą gęstość i mały rozmiar cząstek MPs są one łatwo odprowadzane do kanalizacji ściekowej, dlatego też miejskie oczyszczalnie ścieków są głównymi odbiorcami tych zanieczyszczeń przed ich zrzutem do naturalnych zbiorników wodnych [25].

Czytaj także: Zastosowanie procesów membranowych do usuwania mikroplastików z wody i ścieków