Plastyfikatory w środowisku – nowe podejście w procesie ich usuwania ze strumienia ścieków

Hydroponiczne oczyszczanie ścieków to proces biologiczny, który wykorzystuje rośliny wodolubne, czyli przystosowane do życia na podłożu o wysokiej wilgotności. Dzięki doskonale wykształconym częściom nadziemnym, transportującym tlen do korzeni i kłączy, są one w stanie przetrwać w dobrej kondycji. Technologia ta gospodaruje odpadami dzięki znanym operacjom fizycznym, chemicznym i biologicznym. Wśród nich należy wymienić: sorpcję, sedymentację, filtrację, utlenianie, redukcję, strącanie, pobieranie związków biogennych i metali ciężkich przez rośliny, działanie promieniowania UV lub oddziaływanie mikroflory [13]. Popularność hydroponicznych oczyszczalni ścieków w Polsce stale rośnie. Znajdują one zastosowanie głównie na obszarach wiejskich jako przydomowe oczyszczalnie ścieków. To dobre rozwiązanie w miejscach o małej gęstości zabudowań, gdzie podłączenie do sieci kanalizacyjnej jest niemożliwe bądź nieopłacalne. System posiada wiele zalet: jest łatwy w obsłudze, odporny na nierównomierny dopływ ścieków, koszt instalacji jest konkurencyjny w odniesieniu do tradycyjnych metod. Wkomponowanie przydomowej oczyszczalni w krajobraz nie jest skomplikowane [15].

Na przestrzeni ostatnich 20 lat hydroponika znalazła zastosowanie również w miejskich oczyszczalniach ścieków. Wprowadza się ją po wstępnym, mechanicznym oczyszczaniu ścieków (I°) lub jako element wspomagający biologiczne oczyszczanie ścieków (II°). Dzięki procesom sorpcji, reakcjom utleniająco-redukującym oraz aktywności biologicznej mikroorganizmów i roślin zachodzi wybiórczy proces oczyszczania ścieków. Kryteria dla projektowania oczyszczalni hydroponicznych obejmują wybór: miejsca, roślin, substratu, typu ścieków, wskaźnika obciążenia hydraulicznego, czasu retencji hydraulicznej, głębokości wody [12, 13].

Głównymi cechami, jakie powinny charakteryzować rośliny makrofityczne, są:

• tolerancja wobec wysokich stężeń substancji organicznych, soli, fosforanów oraz azotu,
• rozwinięty system korzeni i kłączy,
• wysoka biomasa w celu izolacji zimowej [12, 16, 17].

Zarówno konwencjonalne, jak i hydrofitowe oczyszczanie dają zadowalające rezultaty w pozbywaniu się składników dobrze poznanych, wyzwaniem jest osiągnięcie dobrych wyników w kategorii nowo pojawiających się zanieczyszczeń, jakimi są plastyfikatory. Nie ulega wątpliwości, że mikroorganizmy, które występują w strefach korzeniowych roślin, odgrywają ogromną rolę w procesie oczyszczania i rozkładaniu zanieczyszczeń. Zostało to potwierdzone, gdy porównano efektywność degradacji estrów kwasu ftalowego w glebie sterylnej oraz w podłożu zaszczepionym drobnoustrojami [11]. Interesujące są również procesy przemian i transportu tych związków przez rośliny. Mają one zdolność pobierania ftalanów z roztworu wodnego, co pozwala na ich trwałe usunięcie.

Obecnie, w literaturze nie ma zbyt wielu doniesień naukowych o efektywności usuwania ftalanów ze strumienia ścieków przy wykorzystaniu tej metody. Zebrane informacje podano w tab. 2.

Większość prowadzonych badań dotyczy układów laboratoryjnych, w których liczba interakcji pomiędzy zanieczyszczeniami, roślinami a mikroorganizmami symbiotycznymi jest ograniczona. Niemniej można zaobserwować, że dla większości testowanych ftalanów rośliny wspomagały proces ich usuwania ze strumienia ścieków (tab. 2). I tak, badania z 2020 roku wykazały ponad 89,7-proc. skuteczność usuwania ftalanu dibutylu ze strumienia ścieków w obecności trzciny pospolitej (Phragmites austrails) [18]. Zaobserwowano ponadto, że najwyższe stężenie DBP w roślinie występowało w okresie jesiennym (tab. 2). Paciorecznik indyjski (Canna indica) oraz tatarak zwyczajny (Acorus calamus) charakteryzowały się niemal 100-proc. skutecznością usuwania DBP ze strumienia ścieków [22, 24], natomiast kapusta sitowata (Brassica juncea) i słonecznik zwyczajny (Helianthus annuus) – 88-proc. [23]. Wolfia bezkorzeniowa (Wolffia arrhiza) wykazuje zdolność eliminacji DBP ze strumienia ścieków w zakresie 87,2% [17]. Badania skuteczności usuwania ftalanów z wody (od 67,5 do 75,4%) potwierdziły użyteczność pałki (Typha sp.) do tego celu [20]; dla innego układu, w którym nie sprecyzowano gatunku rośliny, efektywność eliminacji tych związków wynosiła 86% [21]. Ponad 95% efektywności eliminacji większości ftalanów wykazano również przy użyciu wolfii [17]. DEHP mający najsilniejszy wpływ na układy hormonalne organizmów żywych usuwany był ze strumienia ścieków z ponad 80-proc. efektywnością [21].

Wysoka skuteczność upraw hydroponicznych wprowadzanych do systemów oczyszczania ścieków plasuje je na wysokim miejscu w rankingu zielonych technologii (ang. green technologies). Wielokrotnie udział roślinności jest na tyle istotny w redukcji biogenów, a w szczególności fosforu, że eliminuje całkowicie potrzebę stosowania koagulantów czy chemicznego oczyszczania. Dodatkowo liczba związków odorowych jest niewielka. Wielozadaniowość roślin w takich systemach uzasadnia celowość wprowadzenia ich do konwencjonalnego systemu oczyszczania ścieków.

Podsumowanie

Zastosowanie ftalanów w procesach produkcji, szczególnie materiałów syntetycznych czy kosmetyków, powoduje ich rozprowadzanie wraz z odpadami poprodukcyjnymi w środowisku naturalnym. Nieustannie trwają badania nad usprawnieniem metod oczyszczania ścieków z tych związków. Proces ten może przebiegać między innymi przy pomocy roślin makrofitycznych tworzących oczyszczalnie hydroponiczne. Oczyszczanie tą techniką jest popularnym rozwiązaniem na świecie, funkcjonuje zarówno w formie przydomowej, jak również w skali przemysłowej. Jednak do zastosowania tej technologii na większą skalę konieczne są szczegółowe badania nad skutecznością procesu eliminacji poszczególnych ftalanów (tab. 2). Istotnym aspektem jest fakt prawidłowego zagospodarowania usuniętych części roślin wspomagających oczyszczanie ścieków. Tutaj pomocna okazuje się inżynieria środowiska, a obiecującą metodą jest proces pirolizy materiału roślinnego, w wyniku którego otrzymuje się tzw. biowęgiel. Wyłącznie takie podejście, w którym wykorzystuje się prawidłowy proces przetwarzania roślin po ich usunięciu z oczyszczalni, zapewnia jej odpowiednią efektywność.

Piśmiennictwo

1. Holland M.: Socio-economic assessment of phthalates. France 2018.
2. National Center for Biotechnology Information U.S National Library of Medicine PuBChem Available online: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Wolecki D., Caban M., Stepnowski P., Kumirska J.: Problems of environmental pollution with derivatives of phthalic acid. „Nauka, Badania i Doniesienia Naukowe”, 2019.
4. Weschler C.J., Salthammer T., Fromme H.: Partitioning of phthalates among the gas phase, airborne particles and settled dust in indoor environments. „Atmos. Environ.”, 2008, 42, 1449-1460.
5. Abdel daiem M.M., Rivera-Utrilla J., Ocampo-Pérez R., Méndez-Díaz J.D., Sánchez-Polo M.: Environmental impact of phthalic acid esters and their removal from water and sediments by different technologies − A review. „J. Environ. Manage.”, 2012, 109, 164-178.
6. Belowska-Bień K., Zdrojewicz Z.: Phthalates − Structure, activity, clinical meaning. „Adv. Clin. Exp. Med.”, 2006, 15, 677-681.
7. Net S., Sempéré R., Delmont A., Paluselli A., Ouddane B.: Occurrence, Fate, Behavior and Ecotoxicological State of Phthalates in Different Environmental Matrices. „Environ. Sci. Technol.”, 2015, 49, 4019-4035.
8. Struciński P., Góralczyk K., Ludwicki J., Czaja K., Hernik A., Korcz W.: Poziomy wybranych insektycydów chloroorganicznych, polichlorowanych bifenyli, ftalanów i perfluorowanych związków alifatycznych we krwi. „Rocz. PZH”, 2006, 57, 99-112.
9. Staples C.A., Peterson D.R., Parkerton T.F., Adams W.J.: The environmental fate of phthalate esters: A literature review. „Chemosphere”, 1997, 35, 667-749.
10. Kida M., Koszelnik P.: Environmental fate of selected micropollutants. „J. Civ. Eng. Environ. Archit.”, 2015, XXXII, 279-298.
11. Gao D.W.W., Wen Z.D.D.: Phthalate esters in the environment: A critical review of their occurrence, biodegradation, and removal during wastewater treatment processes. „Sci. Total Environ.”, 2016, 541, 986-1001.
12. Olejnik D., Wolska M., Wojciechowski K.: Evaluation of the effectiveness of selected constructed wetlands. 2016, 5-16.
13. Obarska-Pempkowiak H., Gajewska M., Wojciechowska E.: Hydrofitowe oczyszczanie wód i ścieków. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
14. Wu H., Zhang J., Ngo H.H. et al.: A review on the sustainability of constructed wetlands for wastewater treatment: Design and operation. „Bioresour. Technol.”, 2015, 175, 594-601.
15. Pawełek J., Bugajski P.: Rozwój przydomowych oczyszczalni ścieków w Polsce – zalety i wady rozwiązań. „Acta Sci. Pol. Form. Circumiectus”, 2017, 3-14.
16. Vymazal J.: Plants used in constructed wetlands with horizontal subsurface flow: A review. „Hydrobiologia”, 2011, 674, 133-156.
17. Kotowska U., Karpinska J., Kapelewska J. i in.: A. Removal of phthalates and other contaminants from municipal wastewater during cultivation of Wolffia arrhiza. „Process Saf. Environ. Prot.”, 2018, 120, 268-277.
18. Li T., Fan Y., Cun, D. et al.: Treatment performance and microbial response to dibutyl phthalate contaminated wastewater in vertical flow constructed wetland mesocosms. „Chemosphere”, 2020, 246, 125635.
19. Qi X., Li T., Wang F., Dai Y., Liang W.: Removal efficiency and enzymatic mechanism of dibutyl phthalate (DBP) by constructed wetlands. „Environ. Sci. Pollut. Res.”, 2018, 25, 23009-23017.
20. Witthayaphirom C., Chiemchaisri C., Chiemchaisri W.: Optimization of reactive media for removing organic micro-pollutants in constructed wetland treating municipal landfill leachate. „Environ. Sci. Pollut. Res.”, 2019.
21. Gani K.M., Kazmi A.A.: Evaluation of three full scale sewage treatment plants for occurrence and removal efficacy of priority phthalates. „J. Environ. Chem. Eng.”, 2016, 4, 2628-2636.
22. Liang W., Deng J., Zhan F., Wu Z.: Effects of constructed wetland system on the removal of dibutyl phthalate (DBP). „Microbiol. Res.”, 2009, 164, 206-211.
23. Fernandez E.J., Lolis E.: Uptake, selectivity, and inhibition of hydroponic treatment of contaminants. „Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol.”, 2002, 42, 469-499.
24. Zhao W.Y., Zhou Q.H., Cheng S.P. et al.: Removal of dibutyl phthalate by a staged, vertical-flow constructed wetland. „Wetlands”, 2004, 24, 202-206.

mgr Daniel Wolecki
dr hab. Jolanta Kumirska, prof. UG
Katedra Analizy Środowiska, Wydział Chemii, Uniwersytet Gdański

Czytaj także: Charakterystyka mikroplastików w oczyszczalniach ścieków