Poluarea microplastică a apărut ca o cale majoră pentru microplastics care intră în mediu și un potențial punct de intervenție. Printre diferitele tehnologii de tratare, filtrele de filtrare și filtrarea unui sistem clasic bazat pe biofilme. Stațiile de tratare a apelor reziduale (WTP) servesc atât ca o cale majoră pentru microplastics care intră în mediu, cât și ca un punct de intervenție. Printre diferitele tehnologii de tratare, filtrele de filtrare și un sistem clasic de biofilme sunt foarte puternice pe comunitățile microbiene robuste și diverse pentru a degrada poluanții organici. Introducerea microplasticelor în aceste sisteme reprezintă o amenințare nouă, care poate perturba ecologia microbiană delicată și compromite performanța tratamentului. Înțelegerea mecanismelor prin care microplasticii afectează biofilmele de filtrare este esențială pentru optimizarea operațiunilor de plante și protejarea calității apelor din aval.

Sursele și caracteristicile microplasticului în apele uzate

Microplasticele sunt definite ca particule din plastic mai mici de 5 mm în dimensiunea lor cea mai lungă. Ei intră în ape uzate dintr-o gamă largă de surse, inclusiv fibre textile sintetice de la spălătorie, microbeads de produse de îngrijire personală (în prezent interzise în multe jurisdicții, dar încă prezente în sistemele moștenite), fragmente din degradarea ambalajelor din plastic, și particule de uzură a pneurilor din rulaj rutier. Un influent tipic WWTP poate conține mii de particule microplastice pe metru cub. Particulele variază în formă (fibre, fragmente, filme, sfere), polimeri de tip (polietilenă, polipropilenă, polistiren, poliester), și densități care influențează transportul și interacțiunea lor cu procesele de tratare biologică. Multe microplastice poartă, de asemenea, aditivi chimici, cum ar fi peroxiacizi, bisfenol A, și agenți de ignifugare, sau poluanți hidrofobici sorbi și metale grele din apele uzate, acționând ca vectori pentru compuși toxici.

Comunitatea microbiană a filtrelor de trucare

Filtrele de trucare constau dintr-un pat fix de media (rock, plastic sau zgura) pe care se distribuie apa uzată. Un biofilm complex se dezvoltă pe suprafața mediei, compus din bacterii, arcaea, ciuperci, protozoa, și ocazional mic metazoa. Biofilmul este stratificat, cu straturi aerobe în apropierea suprafeței și zonele anoxice sau anaerobe mai adânc în interiorul. Grupurile funcționale cheie includ heterotrofe care oxidează carbon organic (BOD), nitrifiers (bacterii amonia-oxidante și bacterii oxidante de azot), și denitrizante în straturi mai adânci. Structura biofilmului și grosimea acestuia, porozitatea și substanța polimeră extracelulară (EPS) matrice este critică pentru transferul de masă și rezistența la shear. Diversitatea microbiană și dislocarea în cadrul comunității oferă rezistență împotriva stresului de mediu și fluctuații de încărcare.

Mecanisme de impact microplastic asupra comunităților de biofilme

Interferență fizică și arhitectură biofilm

Particulele microplastice pot fi încorporate fizic în matricea biofilmului, alterând porozitatea acestuia şi reducând difuzia oxigenului şi nutrienţilor la straturi mai adânci. Fibrele, în special, pot fi legate cu EPS, ducând la înfundare şi ars. Prezenţa particulelor dure, nedegradabile poate creşte şi stresul de forfecare, cauzând detaşarea prematură a biofilmului în special în timpul supratensiilor hidraulice. Studiile au arătat că acumularea microplastică poate reduce grosimea biofilmului şi biomasa totală, reducând capacitatea metabolică globală a filtrului.

Toxicitate chimică și efecte de leachat

Multe particule microplastice degajă substanţe chimice aditive toxice pentru microorganisme. Phtalate şi bisfenol A, de exemplu, s-au dovedit a inhiba creşterea şi activitatea bacteriilor nitrifiante, care sunt deosebit de sensibile la contaminanţii de mediu. Mai mult, microplastics sorb şi concentrat alţi poluanţi din apele reziduale, potenţial livrând doze locale mari de metale grele sau pesticide celulelor biofilmului. Acest stres chimic poate duce la reducerea activităţii enzimatice şi la mutaţii în compoziţia comunitară, favorizând speciile rezistente la stres, dar mai puţin eficiente.

Modificarea structurii și funcției comunitare microbiene

Expunerea la microplastice duce adesea la o scădere a diversităţii microbiene şi la o schimbare către biofilmarea sau degradarea taxonului plastic. De exemplu, unele studii au observat o creştere a abundenţei relative a Pseudomonas[ şi Bacillus[, care sunt cunoscute pentru a produce EPS şi pot degrada anumite materiale plastice, în detrimentul nitrifiers sensibile şi degradatorilor specializaţi. Această restructurare funcţională poate afecta procesele de tratare cheie, cum ar fi nitrificarea şi eliminarea compuşilor organici recalcitranţi. În plus, presiunea selectivă exercitată de microplastici poate reduce redundanţa funcţională a biofilmului, făcând sistemul mai vulnerabil la perturbări suplimentare.

Consecinţele pentru eficienţa tratamentului

Reducerea eliminării materiei organice

Pierderea activităţii heterotrofice din cauza perturbării biofilmului afectează direct eliminarea cererii biochimice de oxigen (BOD) şi a cererii de oxigen chimic (COD). Studiile la scară pilot au raportat o reducere de 10 ANI a eficienţei eliminării BOD în filtrele de filtrare care primesc influenţă microplastică contaminată în comparaţie cu controalele. Aceasta poate duce la sarcini organice mai mari ale efluenţilor, crescând sarcina pe etapele ulterioare de tratament sau pe organismul de apă care primeşte.

Afectarea nitrificaţiei şi eliminarea amoniacului

Bacteriile care produc azot sunt lente și sensibile la toxicanți, ceea ce le face să fie obiective principale pentru stresul asociat microplastic. În unele cazuri, au fost observate rate reduse de nitrificare atât în reactoarele de laborator, cât și în filtrele de triaj la scară completă, cu concentrații de amoniac în efluent crescând cu până la 40%. Acest lucru compromite capacitatea instalației de a îndeplini permisele de descărcare pentru azot, forțând operatorii să crească aerarea sau adăugarea de substanțe chimice pentru a compensa.

Creșterea costurilor de producție și de exploatare a zăcămintelor

Acumularea fizică a microplasticelor în patul de filtrare poate contribui la înfundarea, creșterea frecvenței de spălare a apei și a consumului de energie. Destabilizarea biofilmului duce, de asemenea, la evenimente mai frecvente de armare, ceea ce duce la o încărcare mai mare a solidelor la clarificări secundare. Efectul combinat este creșterea costurilor operaționale pentru întreținerea, energia și manipularea nămolului. În plus, prezența microplasticelor în biosolide limitează reutilizarea lor benefică în agricultură, prezentând o provocare de eliminare.

Vector pentru patogeni si rezistenta la antibiotice

Microplasticurile pot acţiona ca substraturi pentru formarea de biofilme prin bacterii patogene şi pot servi ca platformă pentru transferul orizontal de gene, inclusiv genele rezistente la antibiotice. Aceasta poate creşte riscul de efluent care transportă organisme rezistente la antibiotice, o preocupare crescândă pentru sănătatea publică, care este de aşteptat ca tratamentul apelor uzate să atenueze.

Strategii de atenuare și gestionare

Controlul sursei și pretratarea

Cea mai eficientă strategie este de a reduce intrările microplastice la sursă. Regulamentele care interzic microbeads în produsele de clătire-off, promovarea hainelor naturale de fibră, și îmbunătățirea managementului apelor furtunoase pentru particulele de uzură a pneurilor sunt esențiale. În cadrul WWTP, instalarea de ecrane fine (≤1 mm) sau sisteme dinamice de filtrare la headworks pot elimina o fracțiune semnificativă de microplastice mai mari înainte de a ajunge la tratament biologic. O tehnologie emergente este utilizarea coagulării și floculației urmată de flotație de aer dizolvat (DAF) pentru a elimina fizic microplastice, deși aceste procese adaugă costuri chimice și energetice.

Optimizarea funcționării filtrului de trucare

Operatorii pot modifica parametrii filtrului de filtrant pentru a atenua impactul microplastic. Creșterea ratei de încărcare hidraulică poate ajuta la eliminarea particulelor acumulate, dar trebuie să fie echilibrat împotriva retenției de biofilme. Îmbunătățirea pre-tratamentului pentru a reduce încărcarea solidelor poate reduce limitarea blocajelor de particule. În plus, asigurarea unor niveluri adecvate de oxigen dizolvat și a echilibrului nutrient poate sprijini reziliența mai sănătoasă a biofilmului.

Bioaugmentarea și managementul microbial

Cercetarea explorează utilizarea tulpinilor microbiene din plastic pentru filtrele de bioamplificare, care pot descompune microplasticurile în produse secundare mai puțin dăunătoare. Totuși, această abordare este încă în stadii incipiente și ridică întrebări cu privire la toxicitatea produselor secundare și la impactul ecologic. O altă cale este selectarea comunităților microbiene microplastice tolerante prin aclimație controlată, deși acest lucru nu poate restabili diversitatea funcțională completă.

Sisteme de monitorizare și avertizare timpurie

Monitorizarea regulată a concentrațiilor microplastice în influente și efluent, combinată cu indicatori de sănătate biofilm (cum ar fi conținutul ATP, respirametria sau profilul metagenic), poate ajuta operatorii de plante să detecteze problemele timpuriu. Senzorii în timp real pentru turbiditate sau numărul de particule pot semnala indirect acumularea microplastică. Dezvoltarea unor modele predictive care corelează sarcinile microplastice cu scăderile de performanță ar permite gestionarea proactivă.

Direcţii viitoare şi necesităţile cercetării

În ciuda gradului de conștientizare în creștere, rămân lacune semnificative de cunoștințe. Majoritatea studiilor au fost efectuate la scară de laborator cu concentrații microplastice ridicate care nu pot reflecta scenarii din lumea reală. Studiile pe teren pe termen lung pe diferite climate și compoziții de apă uzată sunt necesare. Rolul nanoplastice (particule <1 μm) în performanța filtrului de trickling este aproape în întregime neexplorat. În plus, interacțiunile dintre microplastice, biofilm și protozoare care controlează populațiile bacteriene în investigarea filtrelor de incendiu. În cele din urmă, analiza economică a implementării tehnologiilor de îndepărtare microplastice comparativ cu costul daunelor aduse mediului în aval ar trebui să fie efectuate pentru a ghida deciziile de investiții.

Concluzie

Poluarea microplastică reprezintă o amenințare semnificativă și sub-recunoscută la adresa proceselor biologice care stau la baza tratamentului apelor uzate în filtrele de filtrare. Prin perturbarea fizică a biofilmelor, furnizarea de substanțe chimice toxice și modificarea structurii comunității microbiene, microplasticii pot afecta BOD și eliminarea amoniacului, creșterea costurilor operaționale și, eventual, facilitarea răspândirii rezistenței la antibiotice. O abordare multiplicată care combină reducerea sursei, îmbunătățirea pre-tratamentului, ajustările operaționale și cercetarea continuă este esențială pentru protejarea eficienței și sustenabilității acestor sisteme vitale de tratament. Pe măsură ce producția de plastic continuă să crească, sectorul apelor uzate trebuie să se adapteze pentru a proteja calitatea apei și sănătatea publică.

Pentru o citire ulterioară, a se vedea Cercetarea microplastică a APE, o evaluare cuprinzătoare privind microplasticii în tratarea apelor uzate și un studiu privind răspunsul biofilmului la microplastic.