Mikromuovien saastuminen on noussut esiin laajalle levinneenä ympäristön saasteena, joka on tunkeutunut vesiekosysteemeihin, maaperään ja jopa ilmakehään. Jätevedenpuhdistamot toimivat sekä merkittävänä keinona mikromuovien päästä ympäristöön että mahdollisena interventiopaikkana. Eri käsittelyteknologioiden joukossa karkaisusuodattimia.Klassinen biokalvopohjainen järjestelmä on voimakkaasti vahva ja monipuolinen mikrobiyhteisö, joka hajottaa orgaanisia yhdisteitä. Mikromuovien käyttöönotto näihin järjestelmiin on uusi uhka, joka saattaa häiritä herkkää mikrobiekologiaaa ja heikentää käsittelytehoa.Meillä, joilla mikromuovit vaikuttavat tiukkuviin suodattimiin biofilmejä, on ratkaiseva tekijä optimoitaessa kasvien toimintaa ja suojeltaessa veden virtausta.

Mikromuovin lähteet ja ominaisuudet jätevesissä

Mikromuovit määritellään muovihiukkasiksi, jotka ovat alle 5 mm:n syvimmässä mitassaan. Ne tulevat jätevesiin monista eri lähteistä, mukaan lukien pyykin synteettiset tekstiilikuidut, henkilökohtaisen hygienian tuotteiden mikrohelmet (jotka on nyt kielletty monilla lainkäyttöalueilla mutta jotka ovat edelleen olemassa perinteisissä järjestelmissä), muovipakkausten hajoamisen palasiksi ja tien valumisten kulumishiukkasiksi. Tyypillinen WWTP-tulokas voi sisältää tuhansia mikromuovihiukkasia kuutiometriä kohti. Hiukkaset vaihtelevat muodoltaan (kuidut, sirpaleet, kalvot, sfäärit), polymeerityyppi (polyetyleeni, polystyreeni, polyesteri) ja tiheys.

Trickling Filters -mikrobiyhteisö

Trickling suodattimet koostuvat kiinteä bed media (kivi, muovi, tai kuona), jonka jätevesien jakautuu. Monimutkainen biofilmi kehittyy median pintaan, koostuu bakteerit, arkeea, sienet, protozoa, ja joskus pieni metatsoa. Biofilmi on kerrostunut, aerobiset kerrokset lähellä pintaa ja anoksinen tai anaerobinen vyöhykkeet syvemmälle sisällä. Keskeisiä toiminnallisia ryhmiä ovat heterotrophit, jotka hapettavat orgaanista hiiltä (BOD), nitrifiitit (ammonia hapettavat bakteerit ja nitriitti hapettavat bakteerit), ja denitrifiers syvempien kerrosten. Rakenne biofilmit paksuus, huokoisuus ja solunulkoinen polymeerinen aine (EPS) matriisi on kriittinen massan siirrolle ja vastustuskyky shear. Mikrobien monimuotoisuus ja dumpliferanssi yhteisössä tarjoavat sieto vastaan ympäristörasitus ja kuormitusvaihteluita.

Mikromuovin vaikutukset biofilmiyhteisöihin

Fyysiset häiriöt ja biofilmin arkkitehtuuri

Mikromuovihiukkaset voivat fyysisesti upota biofilmimatriisiin, muuttaa sen huokoisuutta ja vähentää hapen ja ravinteiden diffuusiota syvemmälle kerrokselle. Kuidut, erityisesti, voivat kietoutua EPS, mikä johtaa tukkeutumiseen ja lokaamiseen. Kovien, hajoamattomien hiukkasten läsnäolo voi myös lisätä leijumassa olevaa stressiä, mikä aiheuttaa ennenaikaista biofilmin irtoamista erityisesti hydraulisten aaltojen aikana. Tutkimukset ovat osoittaneet, että mikromuovien kertyminen voi vähentää biokalvon paksuutta ja kokonaisbiomassaa, mikä vähentää suodattimen kokonaismetabolista kapasiteettia.

Kemialliset toksisuus- ja leachate-vaikutukset

Monet mikromuovihiukkaset vuotavat lisäainekemikaaleja, jotka ovat myrkyllisiä mikro-organismeille. Ftalaatit ja bisfenoli A:n on esimerkiksi osoitettu estävän nitrifoivan bakteerien kasvua ja toimintaa, jotka ovat erityisen herkkiä ympäristön saastuttaville aineille. Lisäksi mikromuovit sorbentti ja konsentraatti muut jätevesistä peräisin olevat saasteet, mahdollisesti kuljettaen suuria paikallisia annoksia raskasmetalleja tai torjunta-aineita biofilmisoluihin. Tämä kemiallinen stressi voi johtaa entsymaattisen aktiivisuuden vähenemiseen ja siirtymisiin yhteisön koostumuksessa, mikä edistää stressiä sietäviä mutta vähemmän tehokkaita lajeja.

Mikrobiyhteisön rakenteen ja tehtävän muuttaminen

Mikromuoville altistuminen johtaa usein mikrobien monimuotoisuuden vähenemiseen ja siirtymiseen kohti biofilmiä muodostavaa tai muovista hajoavaa taksaa. Esimerkiksi joissakin tutkimuksissa on havaittu, että [Pseudomonasin[] ja -lajien suhteellinen runsaus on lisääntynyt.Kaikkien lajien tiedetään tuottavan EPS:ää ja voivan heikentää tiettyjä muoveja herkillä nitrifiitereillä ja erikoistuneilla degradereilla.Tämä toiminnallinen uudelleenjärjestely voi heikentää keskeisiä käsittelyprosesseja, kuten nitrifikaatiota ja uudelleenkalsitanttien orgaanisten yhdisteiden poistamista. Lisäksi mikromuovien aiheuttama valikoiva paine voi vähentää biofilmin toiminnallista irtoamista, mikä tekee järjestelmästä alttiimman jatkoperturbaatioille.

Seuraukset hoidon tehokkuudesta

Orgaanisten aineiden poiston väheneminen

Biofilmin häiriöistä johtuva heterotrofinen toiminta on vähentynyt suoraan biokemiallisen hapenkulutuksen (BOD) ja kemiallisen hapenkulutuksen (COD) poistumiseen. Koeskaalatutkimuksissa on raportoitu, että BOD:n poistotehokkuus on vähentynyt 10..30 prosenttia mikromuovin saastuttamia suodattimia vastaanotettaessa. Tämä voi johtaa korkeampiin jätevesien orgaanisiin kuormiin, mikä lisää kuormitusta myöhemmissä käsittelyvaiheissa tai vastaanottavassa vesimuodostumassa.

Heikentynyt nitrifikaatio ja ammoniakkinpoisto

Nitrifoiva bakteerit ovat hitaasti kasvavia ja herkkiä myrkyllisille aineille, joten ne ovat ensisijaisia tavoitteita mikromuoviin liittyvälle stressille. Nitrifikaation on havaittu vähentyneen sekä laboratorion mittaisissa biofilmireaktoreissa että täysimittaisissa tihkusuodattimissa, jolloin ammoniakkipitoisuudet jätevesissä nousevat joissakin tapauksissa jopa 40%. Tämä vaarantaa laitoksen kyvyn täyttää typpipäästöluvat, pakottaa toiminnanharjoittajat lisäämään ilmastusta tai lisätä kemikaaleja kompensoimaan.

Lietteen tuotannon ja käyttökustannusten kasvu

Mikromuovien fyysinen kertyminen suodatinpohjaan voi osaltaan tukkia, lisätä selkäpesua ja energiankulutusta. Biofilmin epävakaus johtaa myös useammin sluughing-tapahtumiin, mikä johtaa kiinteiden aineiden suurempaan lastaamiseen sekundaariselmentäjiin. Yhdistetty vaikutus on ylläpito-, energia- ja lietteenkäsittelyn toimintakustannusten nousu. Lisäksi mikromuovien esiintyminen biokiinteässä rajoittaa niiden hyödyllistä uudelleenkäyttöä maataloudessa, mikä aiheuttaa hävittämishaasteen.

Patogeenien ja antibioottien resistenssivektori

Mikromuovit voivat toimia substraatteina biokalvon muodostumiselle patogeenisten bakteerien avulla ja toimia alustana horisontaaliselle geenien siirrolle, mukaan lukien antibioottiresistenssigeenit. Tämä saattaa lisätä antibioottiresistenttien organismien kulkeutumisriskiä, mikä lisää ihmisten terveyttä koskevaa huolta siitä, että jäteveden käsittelyn odotetaan lieventävän.

Häiriö- ja hallintostrategiat

Lähdekontrolli ja esikäsittely

Tehokkain strategia on vähentää mikromuovien syötteitä lähteestä. Säännöt kieltää mikrohelmiä huuhdeltavissa tuotteissa, edistää luonnon kuituvaatteita, ja parantaa sadeveden hallintaa renkaiden kulumishiukkasten ovat välttämättömiä. WWTP:issä, asentaa hienoja näyttöjä (≤1 mm) tai dynaamisia suodatusjärjestelmiä pääntöihin voi poistaa merkittävän osan suurempia mikromuovien ennen kuin ne saavuttavat biologisen käsittelyn. Uusi teknologia on hyytymisen ja flokkulaation käyttö, jota seuraa liuennut ilmaflotaatio (DAF) poistaa mikromuovit fyysisesti, vaikka nämä prosessit lisäävät kemiallisia ja energiakustannuksia.

Optimoidaan Trickling Filter -toiminto

Operaattorit voivat muuttaa tiukkusuodatinparametreja mikromuovin vaikutusten lieventämiseksi. Hydraulinen kuormitusnopeuden lisääminen voi auttaa huuhtomaan esiin kertyneet hiukkaset, mutta se on tasapainotettava biofilmin kertymistä vastaan. Esikäsittelyn parantaminen kiinteiden aineiden kuormituksen vähentämiseksi voi minimoida hiukkasloukkuun pääsyn. Lisäksi riittävän liuenneen hapen määrän ja ravinnetasapainon varmistaminen voi tukea terveempää biofilmin sietokykyä.

Bioaugmentaatio ja mikrobien hallinta

Tutkimus tutkii muovista hajoavien mikrobikantojen käyttöä bioaugment-koukistuvien suodattimien valmistukseen, mahdollisesti mikromuovien hajottamiseen vähemmän haitallisiksi sivutuotteiksi. Tämä lähestymistapa on kuitenkin vasta alkuvaiheessa ja herättää kysymyksiä sivutuotteen myrkyllisyydestä ja ekologisista vaikutuksista. Toinen keino on mikromuovia sietävien mikrobiyhteisöjen valinta hallitun sopeutumisen avulla, vaikka se ei välttämättä palautakaan täysin toimivaa monimuotoisuutta.

Seuranta- ja varhaisvaroitusjärjestelmät

Mikromuovipitoisuuksien säännöllinen seuranta vaikutus- ja jätevesipitoisuuksissa yhdistettynä biofilmin terveysindikaattoreihin (kuten ATP-sisältö, respirometria tai metagenominen profilointi) voi auttaa kasvintoimijoita havaitsemaan ongelmia varhaisessa vaiheessa. Todenaikaiset sameuden tai hiukkasmäärän anturit voivat epäsuorasti viestiä mikromuovien kertymisestä. Mikromuovien kuormitusta ja suorituskyvyn heikkenemistä korreloivien ennustemallien kehittäminen mahdollistaisi ennakoivan hallinnan.

Tulevaisuuden Suunnat ja tutkimustarpeet

Tietoisuuden lisääntymisestä huolimatta merkittäviä tietovajeita on edelleen. Useimmat tutkimukset on tehty laboratorioasteikolla, jossa on suuria mikromuovipitoisuuksia, jotka eivät ehkä vastaa todellisia skenaarioita. Tarvitaan pitkän aikavälin kenttätutkimuksia eri ilmastoissa ja jätevesien koostumuksessa. Nanomuovien (hiukkasten <1 μm) rooli suodatinten suorituskyvyn karkaisussa on lähes täysin selvittämätön. Lisäksi mikromuovien, biofilmin ja alkueläinten grazerien vuorovaikutus, joka ohjaa bakteeripopulaatioita suodattimissa, on ohjattava. Lopuksi on tehtävä taloudellinen analyysi mikromuovien poistotekniikoiden käyttöönotosta ja ympäristövahinkojen kustannuksista investointipäätösten ohjaamiseksi.

Päätelmät

Mikromuovien aiheuttama saastuminen on merkittävä ja alituisesti tunnettu uhka biologisille käsittelyille, jotka tukevat jäteveden käsittelyä tiputtamissuodattimissa. Biofilmien häiritseminen, myrkyllisten kemikaalien toimittaminen ja mikrobiyhteisön rakenteen muuttaminen voi heikentää BOD:n ja ammoniakin poistoa, lisätä toimintakustannuksia ja mahdollisesti helpottaa antibioottiresistenssin leviämistä. Monipuolinen lähestymistapa, jossa yhdistetään lähteiden vähentäminen, parempi esikäsittely, toiminnalliset mukautukset ja jatkuva tutkimus, on välttämätön näiden elintärkeiden käsittelyjärjestelmien tehokkuuden ja kestävyyden turvaamiseksi. Muovin tuotannon jatkuessa jätevesialan on sopeuduttava veden laadun ja kansanterveyden suojeluun.

Ks. lisätietoja EPAn mikromuovitutkimuksesta, kattavasta -arvioinnista, joka koskee jätevedenkäsittelyssä käytettäviä mikromuovituotteita , ja -tutkimuksesta, joka koskee biofilmivastetta mikromuoville .