Einflüsse der Textil- und Kunststoffindustrie
Mikroplastik in Abwässern

11.12.2020 Damit der Mikroplastik-Eliminationsprozess innerhalb der Abwasserbehandlung kontinuierlich erfolgen kann, setzt man auf die Entwicklung einer einfachen Detektionsmethode für Mikroplastik.

Bild 1 Eintragspfade von Polymeren, Kunststoffen und Mikroplastik in Gewässern
Bild 1 Eintragspfade von Polymeren, Kunststoffen und Mikroplastik in Gewässern
Bei Monitorings von Mikroplastik in der Umwelt fällt immer wieder auf, dass sich besonders in der Nähe von Industriegebieten, besonders der Kunststoffindustrie, erhöhte Mikroplastikkonzentrationen in Seen, Flüssen, Ufersedimenten und an Stränden finden /1–3/. Bereits 1992 thematisierte die United States Environmental Protection Agency die Abgabe von Plastikpellets der Industrie in die Umwelt. Hier können bei Umfüll- und Transportprozessen sowie durch defekte Lagerbehältnisse Plastikpellets verloren gehen und anschließend bei der Reinigung mit Wasser oder bei Regenfällen in das Abwasser gelangen /4/.

Dies geschieht bei Kunststoffproduzenten, Weiterverarbeitern, Recyclern und Transportunternehmen. Durch eine verbesserte Abwasserbehandlung und Reinigungspraxis der Betriebstätten lassen sich die Austräge von Plastik zwar verringern, aber nicht gänzlich verhindern. So berichten Lecher und Rammler 2011 dass ein österreichischer Kunststoffproduzent Schätzungen zu folge täglich 200 g Mikroplastik über sein Abwasser in die Umwelt abgibt. Der Eintrag kann hierbei durch Regenfälle, welche Plastikpellets von dem Gelände in die Kanalisation spülen, stark ansteigen, Schätzungen zu folge auf 50-200 kg pro Regenereignis /6/.

Lacke und Farben bestehen zum Großteil aus synthetischen Kunstharzen und anderen Polymeren und fallen somit auch unter den Begriff Kunststoff. Auch hier können hohe Austräge anfallen, gerade in Lackverarbeitenden Betrieben, wo durch das Abtragen von Lacken und bei Schleifarbeiten Mikroplastik erzeugt wird /7/.

Weitere Beispiele für in der Industrie verwendetes Mikroplastik sind in den verbauten Teilen vieler Anlagen zu finden, aber auch Mikroplastikpartikel, welche Kosmetika, vor allem Peelings, zugesetzt werden, sind zu nennen /8/. Auch viele Polier- und Reinigungsmittel beinhalten synthetisches Mikroplastik, sowohl als abrasiv geltende sogenannte Wachs-Dispersion zur Oberflächenversiegelung. Des Weiteren gibt es verschiedene Wachse für technische Anwendungen, welche im Größenbereich weniger Mikrometer produziert werden und unter anderem als Additive für Lacke, Farben, Klebstoffe oder in der Oberflächenbeschichtung Verwendung finden.

Bei der Textilherstellung werden erhebliche Mengen an Frischwasser benötigt, die einen entsprechend hohen, kostenintensiven Abwasseranfall verursachen /9/. Das anfallende Abwasser enthält in Abhängigkeit der Prozessstufen: organische Stoffe (CSB/BSB5), Schlichte, Tenside, organische Komplexbildner, Farbstoffe, halogenierte organische Verbindungen, Sulfite und Schwermetalle. Es können weiterhin große Mengen an Fasern (natürlich und synthetischen Ursprungs) aus den Textilien im Abwasser enthalten sein. Bei den Kunstfasern, welche überwiegen aus den Polymeren Polyester und Polyamid bestehen, fasst man die Summe aller Partikel kleiner 5 mm als Mikroplastik zusammen.

Anforderungen an die Abwasserbehandlung

Die Anforderungen an die Abwasserbehandlung variieren je nach Betriebsgröße und Abwassermenge. Im Regelfall werden die Abwässer weitgehend innerbetrieblich aufbereitet und anschließend in kommunalen Kläranlagen mitbehandelt. In den Fällen einer direkten Einleitung in einen Vorfluter gelten in Deutschland die Mindestanforderungen gemäß Abwasserverordnung /10/. Diese deckt die Bereiche aerobe Abwasserbehandlung (SBR-/MBR-Anlagen), Filtration, Schlammbehandlung und Energieerzeugung aus Biogas, Abluftbehandlung und die Kriterien für die Automatisierung (EMSR-Technik, Prozess- und Fernüberwachung usw.) ab.

Folgende Verfahrensschritte bzw. Verfahrenskombinationen haben sich bewährt:
-    mechanische Abwasservorbehandlung
-    Flotation mit chemischer Fällung/Flockung
-    Speicherung und Homogenisierung
-    Neutralisation
-    biologische Reinigung
-    anaerobe Abwasserbehandlung.

Bild 2 Orte der Mikroplastik-Ansammlung innerhalb des Reinigungsprozesses einer Kläranlage
Bild 2 Orte der Mikroplastik-Ansammlung innerhalb des Reinigungsprozesses einer Kläranlage


Ziel: Die Mikroplastikbelastung reduzieren

Die Belastung mit Kunstfasern bzw. Mikroplastik wird nicht geregelt. Um den Eintrag in die Umwelt zu verhindern, besteht also der Bedarf nach Methoden zur Reduktion der Mikroplastikbelastung in gereinigtem Abwasser vor dem Einleiten in die Vorfluter. Bis heute wurde noch nicht eindeutig geklärt, welchen Effekt die Reinigungsprozesse auf die Mikroplastikfracht des behandelten Abwasserstroms haben.

Mit der Thematik haben sich bereits einige Studien beschäftigt (Tabelle 1). In den Niederlanden wurden beispielsweise in drei Klärwerken Ablauf und Klärschlamm auf mitgeführte Plastikmengen untersucht /12/. Dabei wurden insgesamt im Ablauf stark schwankende Partikelzahlen zwischen 9 und 91 pro Liter und im Klärschlamm hohe Anzahlen synthetischer Fasern ermittelt. Der in einer der drei Anlagen installierte Bioreaktor mit anschließender Mikrofiltration (Membranbioreaktor, MBR) zeigte keinen nennenswerten Effekt auf die Mikroplastikfracht. Neben der holländischen Studie wurden in einer Kläranlage in St. Petersburg Zulauf, mechanisch gereinigtes Abwasser und Ablauf hinsichtlich des enthaltenen Mikroplastiks (Fasern, synthetische und schwarze Partikel) untersucht, um den Effekt der einzelnen Prozessstufen nachvollziehen zu können /22/. Dabei zeigte die mechanische Reinigungsstufe allein eine Abscheidungseffizienz von 90 und 96 % in Verbindung mit der biologischen Prozessstufe, wodurch sich die Kläranlage als sehr wirkungsvoll im Rückhalt von Mikroplastik erwies, mit Sandfang und Vorklärung als tragende Komponenten. In beiden Studien wurden die Proben lediglich visuell mittels stark größenlimitierter Lichtmikroskopie untersucht, die jedoch keine stoffliche Identifizierung der untersuchten Partikel erlaubt.

Tab. 1:Tabellarischer Auszug zu verschiedenen Studien zum Monitoring von Mikroplastik in Klärschlamm und Abwasser
Tab. 1:Tabellarischer Auszug zu verschiedenen Studien zum Monitoring von Mikroplastik in Klärschlamm und Abwasser


In einer im Oktober 2014 veröffentlichten Studie des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) haben die Wissenschaftler mit aufwändigen Aufbereitungsmethoden und anschließender spektroskopischer Analyse 12 norddeutsche Kläranlagen des Oldenburgisch-Ostfriesischen Wasserverbandes (OOWV) mit unterschiedlichen Anschlussgrößen und Durchsatzmengen im Hinblick auf Mikroplastik beprobt. Dabei wurden sämtliche die Kläranlagen verlassenden Ströme berücksichtigt (Ablauf, Klärschlamm, Leichtstoffe) /16/. Die gemessenen Frachten im Ablauf, durchschnittlich 897 Partikel m-3, unterschritten deutlich die der beiden vorangegangenen Studien und schwankten zudem stark zwischen den einzelnen Kläranlagen. Die Kläranlage Oldenburg weist als einzige der untersuchten Anlagen eine Schlussfiltration in Form eines Scheiben-Tuchfilters auf. Dieser konnte die Mikroplastikfracht um 97 % reduzieren. Insgesamt konnte durch die Studie ein gewisses Rückhaltepotenzial von Kläranlagen gegenüber Mikroplastik, gleichzeitig jedoch der Eintrag einer äquivalenten Partikelzahl in den Vorfluter nachgewiesen werden. Sandfänge hatten hier keinen nennenswerten Einfluss auf die Abscheidungseffizienz.

Studien belegen den Forschungsbedarf

Die drei vorgestellten Studien zum Thema Mikroplastik in Kläranlagen, in denen Ergebnisse und Erkenntnisse doch sehr stark divergieren, belegen den weiteren Forschungsbedarf. Gerade bezüglich der erhobenen Daten zu Mikroplastikfrachten und dem Rückhaltevermögen der Kläranlagen für Mikroplastik stehen die Feststellungen der Studien oft im Widerspruch zueinander. Aufgrund der unterschiedlichen angewendeten Methoden für Probenahme, Probenaufbereitung und Analytik sind die Studien zudem nur schwer miteinander vergleichbar. Das unterstreicht die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen und der Entwicklung einer einheitlichen, standardisierten Methodik für Probenahme, Aufbereitung und Analytik.

Zudem ist für eine Bewertung der Relevanz von Kläranlagen - als potenzieller Mikroplastikemittent - die Relation zu diffus in Gewässer eingebrachtem Mikroplastik und der gesamten Mikroplastikfracht der Flüsse erforderlich.

Wo stehen wir derzeit? Die Filterfreie Abtrennung von Mikroplastikpartikeln variabler Größen und Polymerarten mittels Wasser 3.0 PE-X* ist bereit für den Markt. Die Weiterentwicklung der Mikroplastik-Detektion steht in den Startlöchern.

Im Projekt Wasser 3.0 werden seit 2016 im Bereich Mikroplastik in verschiedenen Forschungsfeldern geforscht. Mit Wasser 3.0 PE-X wurde das erste Verfahren entwickelt, welches die kosteneffiziente und reproduzierbare Entfernung von Mikroplastik aus verschiedenen Wässern ermöglicht (Bild 2).

Bild 3a und b Materialien aus den Forschungslaboren der abcr GmbH. Gute Chemie steht hier für nachhaltige Wertschöpfungskette, ressourcenschonender Einsatz und der Möglichkeit der auf den Prozess adaptierbaren Materialentwicklung. © Foto: Wasser 3.0
Bild 3a und b Materialien aus den Forschungslaboren der abcr GmbH. Gute Chemie steht hier für nachhaltige Wertschöpfungskette, ressourcenschonender Einsatz und der Möglichkeit der auf den Prozess adaptierbaren Materialentwicklung.


Das Verfahren kann sowohl in Kläranlagenumgebungen, industriellen Prozessen und auch in Salzwasserumgebungen als adaptive, mobile Containereinheit eingebaut werden. Der Entfernungsprozess beruht auf einer sogenannten Agglomerations-Fixierungs-Reaktion (AFR-Reaktion). Im ersten Schritt werden technologisch Mikroplastikpartikel lokalisiert, im zweiten Schritt durch einen Agglomerationsprozess „verklumpt“. Die Reaktion kann in unterschiedlichen pH-Umgebungen durchgeführt werden und beruht auf einer sehr einfach zu implementierenden, sogenannten lowtech-Anwendung. Das Produkt sind aufschwimmende Partikel, die einfach und effizient abgetrennt werden können /22–26/. Der gesamte Prozess wird auf der Basis des vorhandenen Wassers und der Ermittlung des Belastungsgrades von Beginn an schrittweise geplant, kontinuierlich dokumentiert, analysiert und in verschiedenen Pilotversuchen an die Ausgangsbedingungen des Wassers (u. a. Verschmutzungsgrad und Zielsetzungen) angepasst. Der Vorteil des gesamten Verfahrens liegt darin, dass durch die Varianz in den eingesetzten Hybridkieselen Material-seitig auf unterschiedlichste Anforderungsprofile reagiert werden kann und große, Investitions-intensive, technologische Veränderungen am Reaktor obsolet sind (Bild 2).

Damit der Mikroplastik-Eliminationsprozess innerhalb der Reinigung von Abwasser kontinuierlich und ressourcenschonend durchgeführt werden kann, setzen die Wissenschaftler*innen auf eine frühzeitige Entfernung der Mikroplastik-Frachten, möglichst am Ort der Entstehung sowie auf die Implementierung einer einfachen Detektionsmethode für Mikroplastik. Angestrebt wird eine anwendungsbasierte Lösung, die auch in den Kläranlagenprozess integriert werden kann, um eine schnelle, effiziente und aussagekräftige Information über den Partikelbelastungs- und eliminationsgrad zu erhalten und Prozesse besser steuern zu können.  

Danksagung
Die Forschungs-, Bildungs- und Kommunikationsprojekte der Wasser 3.0 gemeinnützigen GmbH werden u.a. durch Spendengelder unterstützt (mehr Informationen finden sie unter www.wasserdreinull.de). Die Materialien für die Forschungsprojekte stellt die abcr GmbH aus Karlsruhe dankenswerterweise zur Verfügung. Michael Sturm dankt zusätzlich der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) für die Vergabe eines Promotionsstipendiums.

LITERATUR
/1/    Karlsson, T.M.; Arneborg, L.; Broström, G.; Almroth, B.C.; Gipperth, L.; Hassellöv, M.: The unaccountability case of plastic pellet pollution, Marine Pollution Bulletin 129 (2018) 52–60
/2/    Mani, T.; Hauk, A.; Walter, U.; Burkhardt-Holm, P.: Microplastics profile along the Rhine River, Scientific reports 5 (2015) 17988
/3/    Lechner, A.; Keckeis, H.; Lumesberger-Loisl, F.; Zens, B.; Krusch, R.; Tritthart, M.; Glas, M.; Schludermann, E.: The Danube so colourful: a potpourri of plastic litter outnumbers fish larvae in Europe's second largest river, Environmental pollution (Barking, Essex 1987) 188 (2014) 177–181
/4/    US EPA: Plastic Pellets in the Aquatic Environment: Sources and Recommendations - Final Report. EPA842-B-92-010. United states Environmental Protection Agency, Office of Water (WH556F), 1992
/5/    Pinnekamp, J.; Firk, J.; Keysers, C.; Mousel, D.; Ruppelt, J.P.; Katharina, T.: Elimination von Mikroschadstoffen, Mikroplastik und multiresistenten Keimen (modifiziert), 34. Bochumer Workshop Siedlungswasserwirtschaft, Bochum Germany, 2016
/6/    Lechner, A.; Ramler, D.: The discharge of certain amounts of industrial microplastic from a production plant into the River Danube is permitted by the Austrian legislation, Environmental pollution (Barking, Essex 1987) 200 (2015) 159–160
/7/    Sundt, P.; Schulze, P.; Syversen, F.: Sources of Microplastics-pollution to the Marine Environment, Mepex for the Norwegian Environment Agency (2014)
/8/    Miklos, D.; Obermaier, N.; Jekel, M.: Mikroplastik: Entwicklung eines Umweltbewertungskonzepts: Erste Überlegungen zur Relevanz von synthetischen Polymeren in der Umwelt, Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, 2016
/9/    Vandevivere, P.C.; Bianchi, R.; Verstraete, W.: Review: Treatment and reuse of wastewater from the textile wet-processing industry: review of emerging technologies, J. Chem. Technol. Biotechnol. 72 (1998) 289–302
/10/    Deutscher Bundestag, Verordnung über Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer, AbwV, Anhang 38 (Textilherstellung, Textilveredlung), BGBl. I (2004) S. 1327, 2625
/11/    Bertling, R.: Mikroplastik/Plastik in der Umwelt - Übersichtsvortrag, 2018, https://www.gelsenwasser.plus/fileadmin/gelsenwasser_plus/content/vortraege_zu_tagungen/abwasser_im_gespraech_25012018/01_mikroplastik_bertling.pdf
/12/    Leslie, H.A.; van Velzen, M. J. M., A.D. Vethaak, Microplastic survey of the Dutch environment: Novel data set of microplastics in North Sea sediments, treated wastewater effluents – marine biota. Final Report. VU University Amsterdam. Amsterdam (2013)
/13/ Magnusson, K; Nóren, F (2014): Screening of microplastic particles in and downstream a wastewater treatment plant, IVL Swedish Environmental Research Institute, Stockholm.
/14/ Heinonen, M; Talvitie, J (2014): Preliminary study on synthetic microfibers and particles at a municipal waste water treatment plant, Baltic Marine Environment Protection Commission,Helsinki. Online verfügbar unter http://www.helcom.fi/Lists/Publications/Microplastics%20at%20a%20municipal%20waste%20water%20treatment%20plant.pdf, zuletzt geprüft am 07.09.2020
/15/ Mintenig, S. M.; Int-Veen, I.; Loder, M. G. J.; Primpke, S.; Gerdts, G. (2016): Identification of microplastic in effluents of waste water treatment plants using focal plane array-based micro-Fourier-transform infrared imaging. In: Water Research. DOI: 10.1016/j.watres.2016.11.015.
/16/    Mintenig, S.; Int-Veen, I.; Löder, M.; Gerdts, G.: Mikroplastik in ausgewählten Kläranlagen des Oldenburgisch- Ostfriesischen Wasserverbandes (OOWV) in Niedersachsen, 2014, https://schlicktown.stadt-media.de/wp-content/uploads/Abschlussbericht_Mikroplastik_in_Klaeranlagen-3.pdf, accessed 14 June 2019
/17/ Murphy, Fionn; Ewins, Ciaran; Carbonnier, Frederic; Quinn, Brian (2016): Wastewater Treatment Works (WwTW) as a Source of Microplastics in the Aquatic Environment. In: Environmental science & technology 50 (11), S. 5800–5808. DOI: 10.1021/acs.est.5b05416.
/18/ Mason, Sherri A.; Garneau, Danielle; Sutton, Rebecca; Chu, Yvonne; Ehmann, Karyn; Barnes, Jason et al. (2016): Microplastic pollution is widely detected in US municipal wastewater treatment plant effluent. In: Environmental pollution (Barking, Essex: 1987) 218, S. 1045–1054. DOI: 10.1016/j.envpol.2016.08.056.
/19/ Michielssen, Marlies R.; Michielssen, Elien R.; Ni, Jonathan; Duhaime, Melissa B. (2016): Fate of microplastics and other small anthropogenic litter (SAL) in wastewater treatment plants depends on unit processes employed. In: Environ. Sci.: Water Res. Technol. 2 (6), S. 1064–1073. DOI: 10.1039/c6ew00207b.
/20/ Simon, Márta; van Alst, Nikki; Vollertsen, Jes (2018): Quantification of microplastic mass and removal rates at wastewater treatment plants applying Focal Plane Array (FPA)-based Fourier Transform Infrared (FT-IR) imaging. In: Water Research 142, S. 1–9. DOI: 10.1016/j.watres.2018.05.019.
/21/ Li, Xiaowei; Chen, Lubei; Mei, Qingqing; Dong, Bin; Dai, Xiaohu; Ding, Guoji; Zeng, Eddy Y. (2018): Microplastics in sewage sludge from the wastewater treatment plants in China. In: Water Research 142, S. 75–85. DOI: 10.1016/j.watres.2018.05.034.
/22/    Backer, H.; Frias, M.; Nicolas, F.: HELCOM, Baltic, Sea Sewage Port Reception Facilities (2014)
/23/    Sturm, M.; Schuhen, K.: Nachhaltige Entfernung von Mikroplastik aus Abwasser- die „flüssigen Partikelsammler“ PE-X®, Analytik-News – Das Online-Labormagazin (2019) 1–5
/24/    Sturm, M.; Rudloff, M.; Bimmler, P.; Herbort, A.; Ney, B.; Poppelreiter, N.; Schuhen, K.: Neue Ansätze zur Reduktion anthropogener Stressoren aus dem aquatischen Umfeld, WWT (2018)
/25/    Sturm, M.T.; Herbort, A.F.; Horn, H.; Schuhen, K.: Comparative study of the influence of linear and branched alkyltrichlorosilanes on the removal efficiency of polyethylene and polypropylene-based microplastic particles from water, Environmental Science and Pollution Research (2020)
/26/    Herbort, A.F.; Sturm, M.T.; Schuhen, K.: A new approach for the agglomeration and subsequent removal of polyethylene, polypropylene, and mixtures of both from freshwater systems - a case study, Environmental science and pollution research international (2018) 15226–15234

Katrin Schuhen
Wasser 3.0, abcr gGmbH
E-Mail: schuhen@wasserdreinull.de

Fachartikel aus wwt wasserwirtschaft wassertechnik Nr. 9/2020

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