Plattform für Wasser, Gas und Wärme
Fachartikel
30. November 2023

Automatische Übersetzung - Originaltext auf Französisch


MIKROPLASTIK IN DER WASSERAUFBEREITUNG

Effektivität der Abscheidung von Mikroplastik in konventionellen Trinkwasseraufbereitungsanlagen

Da Plastik seit Jahren allgegenwärtig ist und massiv verwendet wird, ist es aus unserer Gesellschaft nicht mehr wegzudenken. Derzeit sind wir mit noch nie dagewesenen Mengen an Kunststoffen in Form von Makro-, Meso-, Mikro- und Nanoplastik in der Umwelt und somit auch in aquatischen Systemen konfrontiert. Es stellen sich viele Fragen zu den Auswirkungen in den Wasserressourcen und in der Trinkwasseraufbereitung. Dieser Artikel liefert einige Antworten auf die Frage, wie effektiv Trinkwasseraufbereitungsanlagen bei der Entfernung von Mikroplastik sind.
Angel Negrete Velasco, Serge  Stoll, Stéphan Ramseier Gentile, Stéphane Zimmermann, Pascal  Ramaciotti , Pauline Perdaems, 

Plastik wird heutzutage weitgehend und exzessiv verwendet, sodass es zu einem fast unverzichtbaren Produkt in unserem Alltag geworden ist. Eine masslose und ĂŒber die Jahre wachsende Produktion hat zu einem erheblichen Anstieg des Abfallaufkommens und damit zu einer starken Verschmutzung der Umwelt gefĂŒhrt. TatsĂ€chlich sind wir derzeit mit noch nie dagewesenen Mengen an Kunststoffen konfrontiert, da es sich um langlebige Materialien handelt, die sich in unserer Umwelt anreichern. Kunststoffe sind widerstandsfĂ€hige Objekte, dennoch werden sie unter anderem durch Erosion und Photoabbau in kleine Fragmente zerlegt und bilden Partikel, die mit dem blossen Auge kaum sichtbar sind. Diese Kunststoffpartikel wurden bei einer Grösse zwischen 5 mm und 1 ÎŒm als Mikroplastik definiert. Die Grösse dieser Kunststoffpartikel kann also zwischen Millimeter und Mikrometer variieren. Mikroplastik kann in diesen Grössenordnungen direkt hergestellt werden, um als Rohstoff fĂŒr die Herstellung von dekorativen Kunststoffteilen (Pailletten, Sequins, KĂŒgelchen) oder als Schleif- oder Peelingmittel in Kosmetika verwendet zu werden.

Mikroplastik in der Umwelt

Aufgrund ihrer Grösse kann Mikroplastik daher leicht natĂŒrliche Wassersysteme und unsere Wasserressourcen verunreinigen, da es durch OberflĂ€chenabfluss, Abwasser, IndustrieabwĂ€sser und sogar durch atmosphĂ€rische Ablagerungen leicht in diese gelangen kann. Mikroplastik erreicht SĂŒsswasserökosysteme in verschiedenen Grössen, Formen und chemischen Zusammensetzungen und ist manchmal in hohen Konzentrationen in der WassersĂ€ule zu finden. Einige wichtige FlĂŒsse in Europa (wie der Rhein, die Seine, die Donau und die RhĂŽne) wurden untersucht, um die Kontamination mit Mikroplastik zu bewerten [1-3]. Auch die Kontamination von Seen wurde in einigen Teilen der Welt bewertet, und es hat sich gezeigt, dass auch Umgebungen, die weit entfernt von anthropogenen AktivitĂ€ten liegen, nicht frei von dieser Kontamination sind [4]. Da Mikroplastik in der Umwelt allgegenwĂ€rtig und fĂŒr das blosse Auge unsichtbar ist, werden diese Partikel im Alltag oft unbeabsichtigt verschluckt oder eingeatmet. Das Vorhandensein von Mikroplastik im menschlichen Körper kann schĂ€dliche Auswirkungen auf das Gewebe und die Zellen haben. DarĂŒber hinaus kann Mikroplastik Zusatzstoffe oder Monomere (die nicht chemisch an das Polymer selbst gebunden sind), Schwermetalle, hydrophobe organische Schadstoffe, perfluorierte Verbindungen, Medikamente usw. enthalten, die sich fĂŒr Lebewesen als toxisch erweisen können [5]. Diese Begleitstoffe können aus der Matrix des Kunststoffpolymers ausgewaschen werden, wodurch sich die Art und Unsicherheit der Risiken, die mit diesen Kunststoffpartikeln verbunden sind, noch erhöht. Fasern stellen ebenfalls ein besonderes Risiko fĂŒr die menschliche Gesundheit dar, da Textilfasern unabhĂ€ngig von ihrer Beschaffenheit Zusatz- und Farbstoffe enthalten, die in einigen FĂ€llen fĂŒr die Tierwelt und die menschliche Gesundheit gefĂ€hrlich sind. Somit gefĂ€hrdet das Vorhandensein von Mikroplastik und Fasern die Funktion der aquatischen Systeme und damit die QualitĂ€t unserer Wasserressourcen, die fĂŒr die Trinkwassergewinnung benötigt werden, und stellt ein wichtiges aktuelles Umweltproblem dar.

Trinkwasserkontamination

Die Kontamination von Wasserressourcen ist ein wichtiges Anliegen und Mikroplastik gibt Anlass zur Sorge ĂŒber die Effizienz von Trinkwassersystemen. Die Konzentration von Mikroplastik in OberflĂ€chenwasser, das zur Herstellung von Trinkwasser verwendet wird, kann von einigen wenigen Mikroplastik bis zu Tausenden von Mikroplastik (mit Abmessungen bis zu 1 ÎŒm) pro Liter reichen (siehe Tab. 1). Dennoch wurde beobachtet, dass eine einfache Trinkwasseraufbereitung (bestehend aus Koagulation-Flockung und Sandfiltration) eine Entfernungseffizienz von Mikroplastik (bis zu 10 ÎŒm) von etwa 70% erreicht. Im Vergleich dazu weisen Trinkwasseraufbereitungsanlagen mit Koagulation-Flockung, Sedimentation, Sandfiltration und Kornaktivkohlefiltration höhere Abbauraten (Grössen bis 1 ÎŒm) auf (mindestens bei 72%) [6, 7]. Die Konzentration von Mikroplastik (Grössen bis 1 ÎŒm) im Trinkwasser bleibt jedoch hoch und schwankt zwischen 151 und 930 Mikroplastikpartikeln/l. Das Ziel der in diesem Artikel vorgestellten Studie ist es, die Effizienz der Entfernung von Mikroplastik und Fasern (grösser als 20 ÎŒm) in einer konventionellen (Typ Bieler Modell) Trinkwasseraufbereitungsanlage der Services Industriels de GenĂšve (SIG) wĂ€hrend der verschiedenen Jahreszeiten zu bewerten (Abb. 1).

Identifizierung und Charakterisierung von Mikroplastik

Um die Effizienz der Entfernung von Mikroplastik in den verschiedenen Jahreszeiten zu untersuchen, wurde monatlich eine Probe aus dem Wasser des Genfersees und aus dem aufbereiteten Wasser der wichtigsten Trinkwasseraufbereitungsanlage in Genf (Trinkwasseraufbereitungsanlage PrieurĂ©) entnommen. Im Durchschnitt wurden 50 Liter Rohwasser und 2000 Liter aufbereitetes Wasser durch Edelstahlsiebe (20 ÎŒm Maschenweite, ISO 3310-1) geleitet. Die auf den Sieben zurĂŒckgehaltenen Partikel wurden dann mit Reinstwasser (Milli-Q water, Millipore; spezifischer Widerstand grösser als 18 MΩ.cm, Gesamtkonzentration an organischer Substanz unter 2 ppb), die zuvor ĂŒber Cellulosenitratfilter (0,45 ÎŒm, Ø = 47 mm, Sartorius stedium biotech) in Glasbecher mit einer Wasserstoffperoxidlösung (H2O2, 30% (w/w), REACTOLAB SA) gefiltert wurde, um eine 15%ige (w/w) Lösung zu erreichen. Die Lösungen wurden dann 7 Tage lang bei 50 °C in einem Trockenschrank aufbewahrt, um einen Aufschluss der organischen Substanz zu bewirken. Anschliessend wurden die Proben ĂŒber 20 ÎŒm-Siebe gefiltert, um gelöste organische Stoffe zu entfernen, und auf Al2O3-Aluminiumoxid-Filter (Anodiscℱ, 0,2 ÎŒm, Ø = 47 mm, GE Healthcare Life Sciences Whatmanℱ) ĂŒbertragen, um chemische Identifikationsanalysen durchzufĂŒhren (Abb. 2). FĂŒr den Nachweis und die Messung von Mikroplastik bis 20 ÎŒm stĂŒtzten wir uns auf die Mikroskopie gekoppelt mit Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (ÎŒFTIR); eine Methode, die weithin fĂŒr den Nachweis und die Charakterisierung von Mikroplastik verwendet wird [8]. Aufgrund der EinschrĂ€nkungen bei der Analyse mit Infrarotmikroskopie wurden alle Mikropartikel, die sich auf einem Viertel der FilteroberflĂ€che abgesetzt hatten, sorgfĂ€ltig und systematisch analysiert, ausser wenn sie als mineralische Mikropartikel oder Mikroorganismen identifiziert worden waren. Der Spektralbereich zwischen 1250 und 4000 cm-1 wurde aufgrund der Absorptionseigenschaften der Al2O3-Filter gewĂ€hlt. Die spektrale Auflösung wurde auf 4 cm-1 festgelegt und es wurden 8 aufeinanderfolgende Scans pro Spektrum angewendet.

Ergebnisse
Konzentrationen von Gesamtmikroplastik (bis 20 ÎŒm) und Fasern

Mikroplastik mit einer Grösse von mehr als 20 ÎŒm wurde in allen Proben gefunden. Allerdings waren die Mikroplastikkonzentrationen im Rohwasser höher - um zwei Grössenordnungen - als im aufbereiteten Wasser, unabhĂ€ngig davon, welchen Monat man im Laufe des Jahres betrachtete (Abb. 3A). Die Konzentration von Mikroplastik war im Verlauf des Jahres sowohl am Einlass als auch am Auslass der Trinkwasseraufbereitungsanlage relativ konstant. Das Mikroplastik wurde in vier Grössenklassen eingeteilt: 20 - 50 ÎŒm, 50 - 100 ÎŒm, 100 - 500 ÎŒm und grösser als 500 ÎŒm. Bei Grössen ĂŒber 500 ÎŒm wurde kein Mikroplastik nachgewiesen (Abb. 3B). Im Rohwasser entsprach die durchschnittliche Mikroplastikkonzentration 627 ± 279 Mikroplastik/m3 (Abb. 3A). Im Durchschnitt wurden 61% des Mikroplastiks in der kleinsten Grössenklasse (20 - 50 ÎŒm) nachgewiesen, gefolgt von der Grössenklasse zwischen 50 und 100 ÎŒm (31%; Abb. 3B). Im Vergleich dazu enthielt das aufbereitete Wasser im Durchschnitt geringe Konzentrationen an Mikroplastik (11 ± 7 Mikroplastik/m3), was einer Abbaurate von 98% entspricht. DarĂŒber hinaus wurden 68% des Mikroplastiks in der kleinsten Grössenklasse (20 - 50 ÎŒm) und 25% in der Grössenklasse zwischen 50 und 100 ÎŒm entdeckt (Abb. 3B). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Konzentration von Mikroplastik im Rohwasser und im aufbereiteten Wasser mit abnehmender Grösse signifikant ansteigt. Die Bilder in Abbildung 4 zeigen, dass die Form des Mikroplastiks eher unregelmĂ€ssig ist und dass es hauptsĂ€chlich in Form von Fragmenten (sekundĂ€res Mikroplastik) gefunden wird. Mikroplastik in Form von Flocken, Sequins oder KĂŒgelchen wurde in dieser Studie nicht beobachtet. Auch zahlreiche Fasern (natĂŒrliche, halbsynthetische und synthetische) wurden in allen Proben beobachtet. Die Gesamtfaserkonzentration sank jedoch nach der Trinkwasseraufbereitung (Abb. 5A) von einem Durchschnittswert von 1813 ± 1161 Fasern/m3 Rohwasser auf einen Wert von 128 ± 84 Fasern/m3 im aufbereiteten Wasser, was einer Abbaurate von 93 % entspricht. Die Ergebnisse zeigen (Abb. 5B), dass sowohl im Rohwasser als auch im behandelten Wasser die Fasern in der Grössenklasse 100 - 500 ÎŒm vorherrschend waren. DarĂŒber hinaus wurden die Fasern in allen Grössenklassen beobachtet. Im Gegensatz zu Mikroplastik haben die Fasern lĂ€ngliche Formen und einen Durchmesser von einigen Mikrometern, was ihre Dominanz in grösseren Grössen erklĂ€ren könnte.

Effizienz der Trinkwasseraufbereitung

Unsere Ergebnisse deuten darauf hin (Abb. 6), dass die Effizienz der hier untersuchten konventionellen Trinkwasseraufbereitung zur Entfernung von Mikroplastik bei mindestens 95 % und bei Fasern (natĂŒrliche, synthetische und halbsynthetische) bei mindestens 87 % liegt. Die durchschnittliche Entfernungsrate fĂŒr Mikroplastik betrĂ€gt 98 % (± 1 %), wĂ€hrend die durchschnittliche Entfernungsrate fĂŒr Fasern 93 % (± 3 %) betrĂ€gt. Die in unserer Studie nachgewiesenen Mikroplastikkonzentrationen sind im Vergleich zu anderen Studien in Trinkwasseraufbereitungsanlagen, die mit OberflĂ€chenwasser versorgt werden, niedrig (Tab. 1). Dieser Unterschied kann jedoch auch darauf zurĂŒckzufĂŒhren sein, dass die Analysemethodik fĂŒr Mikroplastik noch nicht standardisiert ist und dass einige Studien das Vorhandensein von Mikroplastik bis zu einer Grösse von 1 ÎŒm mithilfe der Mikro-Raman-Spektroskopie bestimmten, wĂ€hrend wir unsere Analysen mithilfe der FTIR-Infrarotmikroskopie bis zu Grössen von 20 ÎŒm durchfĂŒhrten. Daher können wir in diesem Fall höhere Konzentrationen erwarten, wenn Grössen unterhalb von 20 ÎŒm untersucht werden. Studien in der Tschechischen Republik [6] oder in China [7] belegen diesen Aspekt deutlich. Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass einige Studien sich darauf beschrĂ€nken, deutlich kleinere Probenvolumina (1 bis 2 Liter) als unsere Proben (50 bis 2000 Liter) zu untersuchen. Dennoch stimmen unsere Ergebnisse in Bezug auf die Wirksamkeit der Behandlung zur Entfernung von Mikroplastik mit anderen Studien ĂŒberein, die eine konventionelle Trinkwasseraufbereitung wie in Spanien [9], Frankreich [3] und der Schweiz [10] untersuchten. DarĂŒber hinaus zeigen alle Studien, dass die Anzahl von Mikroplastik mit abnehmender Grösse der untersuchten GewĂ€sser zunimmt.


Tab. 1 Vergleichende Tabelle zur Wirksamkeit der Entfernung von Mikroplastik mit anderen Studien.

Chemische Beschaffenheit von Mikroplastik

Materialien wie Polyamid (PA), Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylalkohol (PVA), Copolymer aus Ethylen und Vinylacetat (EVA), Polyvinylchlorid (PVC) und andere Materialien wurden durch Infrarotspektroskopie identifiziert. PE ist sowohl im Rohwasser als auch im aufbereiteten Wasser das am hĂ€ufigsten vorkommende Material. Auch wenn die Konzentration von Mikroplastik nach der Behandlung deutlich abnimmt, bleibt die Gesamtverteilung und HeterogenitĂ€t des Mikroplastiks im Rohwasser der des behandelten Wassers sehr Ă€hnlich (Abb. 7). Es ist nicht ĂŒberraschend, diese chemischen Zusammensetzungen zu finden, da diese Materialien hĂ€ufig im Alltag (Verpackungen, Flaschen, Rohre usw.) und in verschiedenen Industriezweigen (Bauwesen, Textilien und Verpackungen) verwendet werden. DarĂŒber hinaus werden einige dieser Kunststoffe direkt in der Trinkwasseraufbereitungsanlage verwendet (Dichtungen, Saugkörbe usw.). Daher ist eine mögliche Verunreinigung des Wassers durch diese Kunststoffe aufgrund eines möglichen Abriebs dieser Kunststoffe nicht völlig ausgeschlossen, insbesondere und beispielsweise beim RĂŒckspĂŒlen der Filter mit Luft und Wasser fĂŒr den Fall, dass die Saugkörbe aus polymeren Materialien (PE usw.) bestehen.

.

Bilanz und Ausblick

In dieser Studie wurde die Kontamination mit Mikroplastik und Fasern am Eingang der Trinkwasseraufbereitung sowie die Effizienz der Abscheidung untersucht. Grosse Volumina wurden mit Hilfe von Edelstahlsieben beprobt und die zurĂŒckgehaltenen Partikel mit Hilfe der Infrarotmikroskopie analysiert. Die durchschnittliche Konzentration von Mikroplastik (Grösse bis 20 ÎŒm) im Rohwasser wurde gleich 627 ± 279 Mikroplastik/m3 und gleich 11 ± 7 Mikroplastik/m3 im aufbereiteten Wasser gefunden. Diese Werte deuten darauf hin, dass die Kontamination des Rohwassers mit Mikroplastik nach einer konventionellen Trinkwasseraufbereitung hochsignifikant reduziert ist. Die Faserkonzentration sank von 1813 ± 1161 Fasern/m3 im Rohwasser auf 128 ± 84 Fasern/m3 im aufbereiteten Wasser. Hinsichtlich der Wirksamkeit der Trinkwasseraufbereitung auf die Mikroplastikkontamination zeigte diese Studie, dass die konventionelle Aufbereitung eine wirksame Barriere fĂŒr die Entfernung von Mikroplastik (98 %) in Form von Fragmenten und Fasern (93 %) darstellt. Es ist anzumerken, dass keine signifikante Korrelation (positiv oder negativ) zwischen den Messwerten der physikalisch-chemischen Parameter im Rohwasser (Temperatur, TrĂŒbung, pH-Wert, UV-Absorption bei 254 nm, organischer Gesamtkohlenstoff, Schwebstoffe) und dem behandelten Wasser zur gleichen Zeit wie die Probenahmen und den erhaltenen Konzentrationen an Mikroplastik und Fasern sowie der Wirksamkeit der Entfernung festgestellt wurde. Ebenso wurden keine signifikanten VerĂ€nderungen im Zeitverlauf beobachtet. Die in dieser Studie erzielten Ergebnisse zur Mikroplastikkontamination (bis zu 20 ÎŒm) in konventionellen Trinkwasseraufbereitungsanlagen (Typ Bieler Modell) zeigen sich beruhigend mit einer hohen Entfernungseffizienz. Ramirez et al. (2022) zeigten ebenfalls, dass das Trinkwassersystem desselben Aufbereitungsweges Nanoplastik (StĂ€rke-Polystyrol) effektiv (99 %) entfernte [11]. Diese Ergebnisse zeigen, dass Mikro- und Nanoplastik in der Regel durch konventionelle Trinkwasseraufbereitungsanlagen gut zurĂŒckgehalten werden. Dennoch ist es wichtig, ein regelmĂ€ssiges Mess- und Kontrollsystem einzurichten und diese Studien auf andere, einfachere oder andere Trinkwasseraufbereitungsmethoden (Ultrafiltration etc.) auszuweiten. Auch wenn die Entfernung von Mikroplastik aus dem Rohwasser bei konventionellen Verfahren unter Kontrolle zu sein scheint, muss eine nachtrĂ€gliche Kontamination durch das Verteilungsnetz noch untersucht werden. TatsĂ€chlich könnten sowohl das Verteilungsnetz als auch Installationen innerhalb von HĂ€usern wichtige Kontaminationsquellen sein. Der Abrieb von Kunststoffrohren (PE, PVC, Polyurethanbeschichtung) ist nicht ausgeschlossen und könnte einen grossen Einfluss auf einen hohen Mikroplastik-Anteil und damit auf die QualitĂ€t des Wassers aus dem Wasserhahn der Verbraucher haben. Abgesehen von den ermutigenden Ergebnissen dieser Studie bleibt festzuhalten, dass jeder von dieser Problematik betroffen ist und es sinnvoll wĂ€re, das Problem bereits an der Quelle selbst anzugehen. Die Wiederverwendung von bereits produzierten Kunststoffen sowie eine ordnungsgemĂ€sse Entsorgung, die eine Verbreitung in der Umwelt verhindert, sollten zumindest die Auswirkungen auf die Umwelt begrenzen und die Arbeit der Trinkwasserversorger erleichtern.

.

Literaturverzeichnis

[1] Faure, F.; De Alencastro, F. (2016): Mikroplastik: Situation in OberflÀchengewÀssern in der Schweiz. Aqua & Gas. 4/2016: 72-77
[2] Lechner, A. et al. (2014): The Danube so colourful: A potpourri of plastic litter outnumbers fish larvae in Europe's second largest river. Environ. Pollut. 188: 177-181. https://doi.org/10.1016/j. envpol.2014.02.006
[3] Barbier, J.-S. et al. (2022): Microplastic occurrence after conventional and nanofiltration processes at drinking water treatment plants: Preliminary results, Front. Water. 4. https://doi.org/10.3389/ frwa.2022.886703
[4] Negrete Velasco, A.D. et al. (2020): Microplastic and Fibre Contamination in a Remote Mountain Lake in Switzerland. Water 12(9): 2410. https:// doi.org/10.3390/w12092410
[5] Lin, Y.-D. et al. (2023): Sources, Degradation, Ingestion and Effects of Microplastics on Humans: A Review. Toxics 11(9): 747. https://doi.org/10.3390/toxics11090747
[6] PivokonskĂœ, M. et al. (2020): Occurrence and fate of microplastics at two different drinking water treatment plants within a river catchment. Sci. Total Environment. 741: 140236. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140236
[7] Wang, Z. et al. (2020): Occurrence and removal of microplastics in an advanced drinking water treatment plant (ADWTP). Sci. Total Environ 700: 134520. https://doi.org/10.1016/j. scitotenv.2019.134520
[8] Schymanski, D. et al. (2021): Analysis of microplastics in drinking water and other clean water samples with micro-Raman and micro-infrared spectroscopy: minimum requirements and best practice guidelines. Anal. Bioanal. Chem. 413: 5969-5994. https://doi.org/10.1007/s00216- 021-03498-y
[9] Dronjak, L. et al. (2022): Screening of microplastics in water and sludge lines of a drinking water treatment plant in Catalonia, Spain. Water Res. 225: 119185. https://doi.org/10.1016/j. watres.2022.119185
[10] Negrete Velasco, A. et al. (2023): Contamination and removal efficiency of microplastics and synthetic fibres in a conventional drinking water treatment plant in Geneva, Switzerland. Sci. Total Environ. 880: 163270. https://doi. org/10.1016/j.scitotenv.2023.163270
[11] Ramirez Arenas, L. et al. (2022): Fate and removal efficiency of polystyrene nanoplastics in a pilot drinking water treatment plant. Sci. Total Environ. 813: 152623. https://doi.org/10.1016/j. scitotenv.2021.152623

.

Kommentar erfassen

Kommentare (0)

e-Paper

«AQUA & GAS» gibt es auch als E-Paper. Abonnenten, SVGW- und/oder VSA-Mitglieder haben Zugang zu allen Ausgaben von A&G.

Den «Wasserspiegel» gibt es auch als E-Paper. Im SVGW-Shop sind sämtliche bisher erschienenen Ausgaben frei zugänglich.

Die «gazette» gibt es auch als E-Paper. Sämtliche bisher erschienen Ausgaben sind frei zugänglich.