Microplastics in Wastewater Sludges : Extraction, Occurrence and Implications for the Circular Economy

Abstract

Jätevedenkäsittelystä vapautuu merkittäviä määriä mikromuoveja ympäristöön. Erityisesti puhdistamoliete — yhdyskuntajätevesien puhdistuksen sivutuote — sisältää suuria määriä mikromuoveja. Toisaalta teollisuuden jätevesilietteiden, esimerkiksi sellu- ja paperiteollisuuden jätevesilietteiden, mikromuovipitoisuuksista tiedetään vasta hyvin vähän. Puhdistamoliete, johon siirtyy jätevedestä myös runsaasti arvokkaita ravinteita kuten typpeä ja fosforia, käsitellään usein mädättämällä (biokaasuprosessi). Mädätystä seuraa usein vedenerotus, jonka lopputuotteita ovat kiinteä jae ja rejektivesi. Kiinteää jaetta voidaan käyttää esimerkiksi maanparannusaineena ravinteiden kierrättämiseksi, minkä seurauksena myös mikromuovit päätyvät maaperään. Koska mädätys on yleinen puhdistamolietteen käsittelytapa, sen mahdollinen mikromuoveja hajottava vaikutus on herättänyt huomiota. Myös mikromuovien jakaantumisesta kiinteän jakeen ja rejektiveden välillä on vain vähän tietoa, mikä hämärtää käsitystä siitä, kuinka suuri osuus puhdistamolietteen mikromuoveista todennäköisesti päätyy maaperään.

Tämän väitöskirjatutkimuksen päätavoitteena oli lisätä tietoa yli 20 mikrometrin kokoisten mikromuovien esiintymisestä sellu- ja paperiteollisuuden jätevesilietteissä sekä puhdistamolietteen käsittelyssä. Ensin kehitettiin menetelmät, joilla mikromuovit voitiin erotella erilaisista lietetyypeistä Raman-spektroskopialla suoritettavaa mikromuovianalyysiä varten. Tulokset osoittivat, että sellu- ja paperiteollisuuden jätevesilietteissä, erityisesti primäärilietteessä, oli huomattavia määriä mikromuoveja. Mikromuovit tulisikin huomioida tämän lietteen jatkohyödyntämisessä, mikäli siihen tulevaisuudessa päädytään. Puhdistamolietteen mädätyksellä voitiin osoittaa olevan lähinnä homogenisoiva vaikutus mikromuovien esiintymiseen lietteessä. Noin 99 % mikromuoveista sekä suurin osa ravinteista päätyi mädätteen kiinteään jakeeseen, mikä edelleen vahvistaa käsitystä tämän jakeen haasteellisuudesta kiertotalouden kannalta. Toisaalta rejektiveteen päätyi vain pieni osa mikromuoveista ja samalla noin kolmasosa mädätteen typestä. Lisäksi rejektiveden mikromuovit koostuivat pääosin vettä kevyemmistä polymeereistä, mikä voisi helpottaa mikromuovien poistamista tästä jakeesta. Puhdistuksen jälkeen rejektivesi voisikin tarjota suhteellisen vähän mikromuoveja sisältävän jakeen typen kierrätykseen.

Wastewater treatment has been identified as a significant source of microplastic pollution to the environment. Particularly sewage sludge, by-product of the treatment of municipal wastewater, exhibits a high abundance of microplastics. On the other hand, the occurrence of microplastics in industrial wastewater sludges, such as in pulp and paper wastewater sludges, is largely unknown. Sewage sludge, retaining also valuable nutrients such as nitrogen and phosphorus from the wastewater, is often treated by anaerobic digestion. The anaerobic digestion is typically followed by the dewatering of sewage sludge digestate, generating solid and liquid fractions of digestate. The solid fraction can be land-applied in order to recycle the nutrients to soil, but as a consequence, also microplastics are spread to the environment. As the anaerobic digestion is a commonly used method to treat sewage sludge, its potential degrading effects on microplastics in sewage sludge require attention. In addition, the division of microplastics between the solid and liquid fractions of digestate is poorly understood, which limits the knowledge of the share of sludge-carried microplastics prone to be land-applied.

The main objective of this doctoral research was to increase understanding of the occurrence and fate of microplastics (>20 μm) in pulp and paper wastewater sludges and in the treatment of sewage sludge. First, methods to extract microplastics from different sludges were developed, and the extracted microplastics were analyzed using Raman spectroscopy. The results showed that the occurrence of microplastics in pulp and paper wastewaters sludges, particularly in primary sludge, was considerable and should be acknowledged if this sludge is considered for further use. Regarding sewage sludge, the effect of anaerobic digestion seemed to be limited to the homogenization of the occurrence of microplastics in sludge. About 99% of microplastics were retained in the solid fraction of digestate, along with the majority of nutrients, posing a particular challenge for the circular economy. On the other hand, the liquid fraction, carrying only a minor fraction of microplastics, also conveyed about one-third of nitrogen. Moreover, the prevalence of floating microplastics in the liquid fraction could facilitate its purification. Consequently, a liquid stream of relatively low microplastic content could be generated for nitrogen recycling.