Användning av metalldopade mikroplastfibrer som spårämne för analys av vad som händer med polyesterfibrer i avloppssystemet visade att 99 % av fibrerna avskildes med slammet och kan anrikas i mark vid användning av slam som gödning eller jordförbättring.
Av: Bengt Andersson
En ökad ackumulering av (mikro)plaster i omgivningen har skapat behov av ökade kunskaper om mekanismerna för hur mikroplastfibrer släpps ut i naturen. Användningen av syntetiska fibrer i textilier är stor och särskilt vid tvättning av textilier av polyester i hemmet har det visat sig att fibrer frigörs från plaggen. Svårigheter med provtagning och analys av mikroplastfibrer har begränsat möjligheterna att klargöra vad som händer med fibrerna då de lossnat och hur de transporteras vidare.
För att övervinna några av svårigheterna med en kvantitativ analys av mikroplaster användes fibrer med samma egenskaper som fibrer i textilier men med ett inert spårämne (Indium, In) invävt och jämnt fördelat i fibrerna. Syftet med studien var att skapa en mekanistisk förståelse för samspelet mellan mikroplastfibrer och slampartiklar, att bestämma plastfraktionen i slammet i förhållande till fraktionen i vattenfasen, att belysa lämpliga strategier för provtagning samt att utvärdera ett förenklat koncept med metalldopade mikroplastfibrer.
Genomförande
Mikroplastfibrer för studien tillverkades genom smältspinning i en pilotanläggning, där PET-kulor och ett indiumsalt i förhållandet 99/1 % blandades och vakuumtorkades innan inmatning i anläggningen. Producerade fibrer var direkt jämförbara med industriellt tillverkade PET fibrer med samma polyesteregenskaper och fördelning av längd och bredd. In-halten inuti fibrerna i prov från olika ställen av polyesterfilamentet analyserades liksom jämnheten i fördelningen. Dessutom iordningsställdes nätkassar med fibrer, där kassarna sänktes ned i en nitrifikationstank under 8 veckor för bestämning av eventuellt läckage av In. In analyserade med hjälp av ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry).
Utgående avloppsvatten och slam från en nitrifikationstank togs från en pilotanläggning vid EAWAG i Schweiz. Inledande studier genomfördes för att säkra en representativ provtagning av slam med spikning av mikroplastfibrer, där kraven var att uppnå minst 95 % återvinning av fibrerna och med en standardavvikelse minde än 10 % för 5 upprepningar.
Batchvisa försök för simulering av en aktivtslamprocess gjordes i laboratorieskala i flaskor med 200 ml slam som spikats med 10, 25 resp. 50 mg fibrer. Efter omrörning och sedimentering togs prov för att bestämma en djupprofil och innehåll i vatten- och slamfas.
Bestämning av interaktionen mellan fibrer och slampartiklar gjordes genom en serie parallella försök i flaskor med slam resp. filtrerat slam tillsammans med 25 mg fibrer genom att analysera fibrerna i vatten- och slamfasen efter olika omrörningstid och sedimentering.
Resultat
Prov från producerad fibermassa togs ut slumpmässigt och andelen In i massan uppgick till 0,19 vikt-% med en mycket liten variation. Analyser av olika mängd fiber visade ett linjärt samband mellan fibervikt och In-halt, vilket innebar att In var jämnt fördelat i fibrerna. Inga tecken på läckage av In kunde konstateras vid kassförsöket under 8 veckor. Morfologi och längdfördelning av fler än 500 fibrer visade på en god överensstämmelse med fibrer som frigjorts från textilier under en tvättcykel.
Studier av lämplig provtagningsstrategi gjordes med tre olika mängder fibrer (10, 25 och 50 mg) doserat i flaskor med 200 ml slam och med provuttag av 1, 5 resp. 10 ml. Resultatet blev att 68 +/- 37 %, 86 +/- 17 % resp. 98 +/- 8 % återvanns med 1, 5 resp. 10 ml prov och 5 upprepningar och val av provtagningsvolym blev 10 ml.
Koncentrationen av mikroplast i slammet minskades tills återvinningen understeg 95 % och standardavvikelsen blev större än 10 %. 33 mg/l gav en återvinningsgrad av 97 % med en för stor avvikelse medan 50 mg/l gav en återvinning av 100 +/- 6 %. Antalet fibrer med 50 mg fibrer/l och 10 ml prov var omkring 360, vilket motsvarade omkring 0,1 mg In/l. Detektionsgränsen för In med ICP-MS är lägre än 0,05 μg/l och därför berodde den minsta koncentrationen i slammet mer på provtagningen och fördelningen av fiber i provet än på koncentrationen av fibrer. Koncentration av mikroplastpartiklar i denna studie var större än i andra studier och eftersom representativ provtagning inte erhölls vid lägre koncentrationer fanns det anledning att fundera över tillförlitligheten vid andra fältprovtagningstekniker.
Batchförsöken visade att över 99,9 % av fibrerna i proven fanns i slamfasen och mindre än 0,1 % i vattenfasen. Efter dekantering och homogenisering av slamfasen kunde 98+/-27 %, 99+/-23 % och 100 +/-20 % återvinnas med 10, 25 resp. 50 mg/l spikade fibrer.
Kinetiken för fibrernas koppling till slammet undersöktes vid olika omrörningstid mellan 1 och 120 minuter med filtrerat resp. ofiltrerat slam. I försöken med filtrerat slam och 25 mg fibrer var fiberhalten i vätskefasen konstant omkring 4 mg fibrer/l oavsett omrörningstiden. Koncentrationen av fibrer i vätskefasen med ofiltrerat slam minskade till 0,2 mg/l efter 10 minuters omrörning. Fibrerna avskildes efter några minuter i närvaro av slamflockar. Med den långa uppehållstiden i VA-systemet kopplas fibrerna till slamflockarna redan i ledningsnätet.
Studierna visade att största andelen fibrer hamnade i slammet som skall disponeras på ett eller annat sätt. I många länder i Europa förbränns slammet medan i andra länder finns intresse av att utnyttja slammet t.ex. på åkermark. Vid åkermarksspridning tillförs mycket plastfibrer som inte bryts ned utan kan hittas under flera årtionden efter spridning.
Trots att större delen av fibrerna hamnar i slammet fanns dock en mätbar andel i utgående vatten beroende på bindning av fibrer till flytslam och till organiska ämnen i utgående vatten liksom till filament, som medför högre slamhalt i utgående avloppsvatten.
Slutsatser
En studie av vad som händer med mikroplastfibrer i avloppssystemet genom användning av metalldopade mikroplastfibrer visade att
- metoden fungerade väl utan läckage av metall och med en jämn fördelning i fibrerna
- provtagningsmetodiken var viktig för en hög tillförlitlighet i resultatet
- omkring 99 % av doserade mikroplastfibrer kunde återfinnas i slammet efter sedimentering och kopplingen mellan fibrer och slamflockar ägde rum inom några minuter
- mikroplastfibrer finns ändå som en mätbar andel i utgående avloppsvatten på grund av flytslam och bindning i organiskt material
Källa: M. Schmiedgruber, R. Hufenus, D.M. Mitrano. Mechanistic understanding of microplastic fiber fate and sampling strategies: Synthesis and utility of metal doped polyester fibers. Water Research 155 (2019), pp 423 – 430.
