Neue Strategie Mikroplastik vollumfänglich und ganzheitlich aus Wasser entfernen

Autor / Redakteur: Michael Sturm, Dennis Schober, Silke Haubensak und Katrin Schuhen* / Dr. Ilka Ottleben

Kleine Partikel, großes Problem. Mikroplastik ist ein ernst zu nehmendes Umweltrisiko, dem nur schwer beizukommen ist. Nun verspricht ein neuer Ansatz sowohl die einheitliche Detektion von Mikroplastik als auch Prozesskontrolle, Entfernungseffizienz, Ressourcenschonung und das Schließen von Stoffkreisläufen. Wie kann das gehen?

Anbieter zum Thema

Abb. 1: Übersicht: Anthropogene Polymere in der Umwelt [6]
Abb. 1: Übersicht: Anthropogene Polymere in der Umwelt [6]
(Bild: Wasser 3.0)

Plastik ist vielseitig, praktisch – und hoch problematisch. Denn es wird schlicht und einfach zu viel. Und gelangt es einmal in den Wasserkreislauf, führt seine schlechte Abbaubarkeit dazu, dass der Kunststoffabfall lange Zeit im Wasser verbleibt. Im Laufe der Zeit zerfällt er dort in immer kleinere Kunststoffpartikel, so genanntes Mikroplastik [1]. Letzteres ist heute bereits in den entlegensten Teilen unserer Erde zu finden und landet über die Nahrungskette auch auf unseren Tellern. Doch wie bekommen wir dieses viel diskutierte Problem in den Griff – sprich, abseits von dringend notwendigen Plastik-Alternativen, das vorhandene Mikro­plastik aus dem Wasser?

Die verschlungenen Wege des Mikroplastiks

Bei der Überwachung von Mikroplastik in der Umwelt fällt immer wieder auf, dass in Seen, Flüssen, Ufersedimenten und an Stränden, insbesondere in der Nähe von Industriegebieten, v. a. der Kunststoff­industrie, oder in stark besiedelten Gebieten erhöhte Mikroplastikkonzentrationen auftreten [2–4]. Bereits 1992 befasste sich die US-Umweltschutzbehörde mit dem Pro­blem der Freisetzung industrieller Kunststoffpellets in die Umwelt. Kunststoffpellets können bei Transfer- und Transportprozessen sowie bei defekten Lagerbehältern verloren gehen und beim Reinigen mit Wasser oder bei Regen ins Abwasser gelangen [5]. Weitere Einleitungen von Kunststoffpartikeln in die Umwelt passieren durch Überläufe im Abwassersystem (Mischwasserableitung), unbehandeltes Wasser aus dem Abwasserkanalsystem, Rest­inhalte im aufbereiteten Abwasser oder Materialklärschlammrecycling aus dem Abwasser [7–10].

Mikroplastik – geheimnisvoll und gefährlich

Das Umweltverhalten von Mikroplastikpartikeln ist noch nicht endgültig geklärt. Verschiedene Studien zeigen, dass Mikroplastik organische Spurenstoffe und Schwer­metalle aus Wasser adsorbieren und transportieren kann [11,12]. Somit kann es mit den Mikroverunreinigungen im Abwasser interagieren und als Transportvektor wirken. Zusätzlich können Additive wie Weichmacher oder Flammschutzmittel über Mikroplastik ins Was‑ ser freigesetzt werden [13,14]. Es wurde darüber hinaus nachgewiesen, dass zahlreiche Arten mit Mikro­plastik in der Umwelt interagieren, was je nach Partikelgröße, Form, chemischer Zusammensetzung, Oberflächeneigenschaft und Konzentration zu verschiedenen schädlichen Auswirkungen führen kann [15,16]. Mikroplastik stellt nach heutigem Forschungsstand eine Belastung für die Umwelt mit hohem Risikopotenzial dar. Doch wie wird man dieses Problem wieder los?

Das in Kläranlagen eintretende Wasser stellt die Betreiber eben dieser zunehmend vor Herausforderungen. Immer häufiger kommt es in Regenwasser und Abwasser zu einer wachsenden Menge an Mikroplastik, z. B. durch Waschmaschinenwasser, das mit Fasern von synthetischen Kleidungsstücken wie Fleecejacken belastetet ist, Reifen­abrieb oder Partikel aus industriellen Prozessen [17–19]. Die Entfernung der meisten Mikroplastikpartikel kann durch das spezifische Verhalten der Mikroplastikbelastung innerhalb des Klärprozesses in Abhängigkeit von Partikelgröße und -dichte erklärt werden [8]. Innerhalb des Klärprozesses wird ein großer Teil der Partikel (üblicherweise Partikel mit Dichten > 1 g/cm3) in den Klärschlamm überführt. Ergebnisse aktueller Studien liefern jedoch keine zuverlässigen und reproduzierbaren Daten und sehr unterschiedliche Entfernungsraten für Mikroplastik innerhalb der üblichen drei Reinigungsstufen des Klärprozesses [17,19,20]. Darüber hinaus fehlen bisher Standardanalysemethoden für Mikroplastik, was eine Vergleichbarkeit vorhandener Daten und zielführende Interpretation unmöglich macht [21].

Die meisten Mikroplastikpartikel werden in Kläranlagen nicht eliminiert, sondern faktisch „nur“ in Schlämmen wiedergefunden. In diesem Zusammenhang wird häufig ein Wert von 95 bis 99,9 % Entfernungsrate von Mikroplastik genannt. Dieser basiert jedoch auf Schätzungen und ist weder reproduzierbar noch für alle Kläranlagen gültig [20,22,23]. Andere Aussagen beschreiben Entfernungen von 34 % und 45 % des Mikroplastiks nach der Entfernung von Sand und Fett bzw. der primären Sedimentation, wobei nach der primären Behandlung Entfernungswirkungsgrade zwischen 70 und 98 % erreicht wurden [19,20,24,25]. Die Sekundärbehandlung reduziert Mikroplastik im Abwasser in Bezug auf den Primärklärer auf weniger als 20 % und die Tertiärprozesse in Bezug auf die Sekundärbehandlung auf weniger als 2 %.

Kläranlagen – Barriere und Eintragsquelle zugleich

Obwohl Kläranlagen eine Barriere gegen die weitere Verteilung von Mikroplastik darstellen, fungieren sie auch als wichtige Quelle für den Eintrag desselben in den Süßwasserkörper, d. h. in Flüsse, Seen oder direkt ins Meer. Am Auslauf kommunaler Kläranlagen wurde bereits eine erhöhte Mikroplastik-Kontamination nachgewiesen [4,26].

Schätzungen aus Studien zufolge transportiert jede Kläranlage jedes Jahr über das gereinigte Abwasser zwischen 93 Millionen und 8,2 Milliarden Kunststoffpartikel in Flüsse und Meere – 86 bis 714 Partikel pro Kubikmeter bzw. 98 bis 1479 Fasern pro Kubikmeter [17]. Da es sich dabei in Summe um täglich große Mengen handelt – bei überlasteter Abwasserbehandlung und starken Regenfällen u. U. sogar gänzlich unbehandeltes Abwasser in die Umwelt gelangt – kommt es zu beachtlichen Mikroplastikfrachten [17,27]. Auch industrielle Kläranlagen, insbesondere aus der Kunststoffindustrie, können Mikroplastik an die Umwelt abgeben [3,28]. Als weitere Eintragsquelle von Mikroplastik in die Umwelt ist die Verwendung von behandeltem Abwasser und Klärschlamm in der Landwirtschaft zu berücksichtigen. Ein unter den Aspekten von Kreislaufwirtschaft und Ressourcenschonung an sich guter Ansatz – der international durchaus verbreitet ist, während in Deutschland vorrangig auf Verbrennung gesetzt wird – birgt das Risiko, dass das Mikroplastik, welches sich noch im Abwasser oder Klärschlamm befindet, auf die Böden ausgetragen wird [29].

Alles in allem bleibt anzumerken, dass es noch erhebliche Wissenslücken über die Rolle von Kläranlagen bezüglich der Entfernung bzw. Verbreitung von Mikroplastik und Mikrofasern gibt [24,30]. Die hier beschriebenen Daten beruhen auf Studien, in denen Ergebnisse und Befunde stark voneinander abweichen und sich häufig widersprechen, insbesondere hinsichtlich Mikroplastikbelastungen und Rückhaltevermögen.

Mikroplastik – unkontrolliert und unkontrollierbar?

Wissenslücken sind insgesamt eine große Herausforderung, wenn es darum geht, Mikroplastik wirkungsvoll zu begegnen. Es bleibt Stand heute festzuhalten: Durch das Fehlen eines einheitlichen Detektionsverfahrens für Mikroplastik, dem Fehlen von Lösungen zur Verbesserung der Prozesssteuerung bestehender Systeme, dem Fehlen eines flächendeckenden Monitorings und dem Fehlen einer klaren Gesetzgebung für das Einleiten und Ausleiten Mikroplastik-belasteter Wässer aus unterschiedlichen (industriellen) Prozessen, ist der Mikroplastikeintrag in die Umwelt ein nahezu gänzlich unkontrollierter und unkontrollierbarer Prozess [31]. Insbesondere Wissenschaft und Industrie sind aufgefordert, sich vorhandenen Lücken in der Datenlage und den Prozessen zu stellen, diese transparent zu kommunizieren und sie im Dialog mit der Politik anwendungsorientiert und zukunftstauglich zu schließen [6].

Ganzheitlich, ökonomisch und ökologisch durchdacht

Obwohl es bereits seit Jahren vielfach erprobte Lösungen für die Entfernung von Mikroplastik aus Wässern gibt, werden diese bisher wenig eingesetzt. Nur Anwender, die sich proaktiv ihrer Verantwortung stellen und wirklich einen Beitrag zum Umwelt- und Gesundheitsschutz leisten wollen, setzen diese bisher ein. Argumentationshilfen für das Nicht-Einsetzen von Lösungen sind vielfältig, häufig unterstützt von rein profitorientierten Kosten- Gewinn-Rechnungen. Ökologischem Impact wird kein oder geringer Wert zugesprochen. Dass dies nicht so sein muss, damit beschäftigen sich seit vielen Jahren die Forschenden des ehemals universitären Forschungsprojekts Wasser 3.0, das im Mai 2020 in die Wasser 3.0 gGmbH übergegangen ist. Wasser 3.0 forscht und arbeitet seit 2012 interdisziplinär auf dem Gebiet Mikroplastik und Mikroschadstoffe [32-35].

Ergänzendes zum Thema
Was ist Wasser 3.0?

Die Wasser 3.0 gGmbH ist ein im Mai 2020 gegründetes non-profit Unternehmen, das durch die Verknüpfung von high-tech Materialien und low-tech Verfahren in Verbindung mit systemischer Perspektive neue Wege für den Umwelt- und Gesundheitsschutz in der (Ab-)Wasserreinigung aufzeigt. Im Fokus stehen flexible, kosten- und energieeffiziente Lösungen für die Entfernung von Mikroplastik und Mikroschadstoffen aus Wässern. Dazu gehören zum ersten Mal auch Detektionsverfahren und Weiterverwendungskonzepte. Entsprechend des Selbstverständnisses als Sustainability Entrepreneur handelt die Wasser 3.0 gGmbH Sektoren-übergreifend mit dem Ziel, messbare Beiträge zu den UN-Nachhaltigkeitszielen in den Bereichen verantwortungsbewusste Forschung, Green Innovation und nachhaltige Bildung zu leisten.

Mit Wasser 3.0 PE-X wurde ein filterfreies Verfahren entwickelt, das eine kosteneffiziente, leicht anwendbare und kontinuierliche Entfernung von Mikroplastik und/oder Mikroschadstoffen aus verschiedenen Wässern ermöglicht. Dieses Verfahren wird jetzt in eine ganzheitliche Strategie für den Umgang mit Mikroplastik und/oder Mikroschadstoffen in Wässern eingebettet – Wasser 3.0 detect | remove | reuse.

Mit Wasser 3.0 detect befindet sich eine leicht und schnell anwendbare, kosteneffiziente Detektionsmethode für den kontinuierlichen und standardisierten Nachweis von Mikroplastik in Wässern im Validierungsstatus [36]. Damit wird erstmals eine qualitativ hochwertige (Ab)Wasserbehandlung möglich, die

  • flexibel an die jeweilige Belastungssituation vor Ort anpassbar ist.
  • bzgl. Ressourcen- und Eliminationseffizienz überwacht und optimiert werden kann.
  • Handeln gemäß Vorsorgeprinzip und Herstellerverantwortung vereinfacht.

Mit Wasser 3.0 reuse werden Kreislaufwirtschaft und Zero Waste konsequent umgesetzt, indem Abfälle reduziert, Wasser gespart und Wasserqualität verbessert wird. In Verbindung mit jeder Implementierung von Wasser 3.0 PE-X können Projekte für die Erforschung und Entwicklung von Weiterverwendungskonzepten aufgesetzt werden. Abfallprodukte von Wasser 3.0 PE-X werden zur Basis neuer Produkte. Die aufbereiteten Wässer können entweder als Prozesswasser weiterverwendet oder als mikroplastik- bzw. mikroschadstofffreies Abwasser abgeleitet werden.

Literaturverzeichnis:

[1] K.L. Law, R.C. Thompson, Microplastics in the seas, Science 345 (2014) 144–145.

[2] T.M. Karlsson, L. Arneborg, G. Broström, B.C. Almroth, L. Gipperth, M. Hassellöv, The unaccountability case of plastic pellet pollution, Marine Pollution Bulletin 129 (2018) 52–60.

[3] A. Lechner, H. Keckeis, F. Lumesberger-Loisl, B. Zens, R. Krusch, M. Tritthart, M. Glas, E. Schludermann, 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] T. Mani, A. Hauk, U. Walter, P. Burkhardt-Holm, Microplastics profile along the Rhine River, Scientific reports 5 (2015) 17988.

[5] 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.

[6] K. Schuhen, M.T. Sturm, Microplastic Pollution and Reduction Strategies, in: T. Rocha-Santos, M. Costa, C. Mouneyrac (Eds.), Handbook of Microplastics in the Environment, Springer International Publishing, Cham, 2020, pp. 1–33.

[7] M.A. Browne, Sources and Pathways of Microplastics to Habitats, in: M. Bergmann, L. Gutow, M. Klages (Eds.), Marine Anthropogenic Litter, Springer International Publishing, Cham, 2015, pp. 229–244.

[8] M. Sturm, K. Schuhen, Nachhaltige Entfernung von Mikroplastik aus Abwasser- die "flüssigen Partikelsammler" PE-X®, Analytik-News – Das Online-Labormagazin (2019) 1–5.

[9] M. Enfrin, L.F. Dumée, J. Lee, Nano/microplastics in water and wastewater treatment processes - Origin, impact and potential solutions, Water Research 161 (2019) 621–638.

[10] T. Rocha-Santos, M. Costa, C. Mouneyrac (Eds.), Handbook of Microplastics in the Environment, Springer International Publishing, Cham, 2020.

[11] L.M. Ziccardi, A. Edgington, K. Hentz, K.J. Kulacki, S. Kane Driscoll, Microplastics as vectors for bioaccumulation of hydrophobic organic chemicals in the marine environment: A state-of-the-science review, Environmental toxicology and chemistry / SETAC 35 (2016) 1667–1676.

[12] A. Bakir, S.J. Rowland, R.C. Thompson, Competitive sorption of persistent organic pollutants onto microplastics in the marine environment, Marine Pollution Bulletin 64 (2012) 2782–2789.

[13] J.N. Hahladakis, C.A. Velis, R. Weber, E. Iacovidou, P. Purnell, An overview of chemical additives present in plastics: Migration, release, fate and environmental impact during their use, disposal and recycling, Journal of hazardous materials 344 (2018) 179–199.

[14] M. Bergmann, L. Gutow, M. Klages (Eds.), Marine Anthropogenic Litter, Springer International Publishing, Cham, 2015.

[15] N.B. Hartmann, S. Rist, A. Braun, Aquatic Ecotoxicity Testing of Nanoplastics (and microplastics) - Lessons learned from nanoecotoxicology. Sound/Visual production (digital), Kgs. Lyngby: Technical University of Denmark, DTU Environment., 2016.

[16] T.S. Galloway, M. Cole, C. Lewis, Interactions of microplastic debris throughout the marine ecosystem, Nature ecology & evolution 1 (2017) 116.

[17] S.M. Mintenig, I. Int-Veen, M.G.J. Loder, S. Primpke, G. Gerdts, Identification of microplastic in effluents of waste water treatment plants using focal plane array-based micro-Fourier-transform infrared imaging, Water Research (2016).

[18] J. Talvitie, A. Mikola, A. Koistinen, O. Setälä, Solutions to microplastic pollution - Removal of microplastics from wastewater effluent with advanced wastewater treatment technologies, Water Research 123 (2017) 401–407.

[19] J. Talvitie, A. Mikola, O. Setälä, M. Heinonen, A. Koistinen, How well is microlitter purified from wastewater? - A detailed study on the stepwise removal of microlitter in a tertiary level wastewater treatment plant, Water Research 109 (2017) 164–172.

[20] F. Murphy, C. Ewins, F. Carbonnier, B. Quinn, Wastewater Treatment Works (WwTW) as a Source of Microplastics in the Aquatic Environment, Environmental science & technology 50 (2016) 5800–5808.

[21] T. Rocha-Santos, A.C. Duarte, A critical overview of the analytical approaches to the occurrence, the fate and the behavior of microplastics in the environment, TrAC Trends in Analytical Chemistry 65 (2015) 47–53.

[22] K. Magnusson, F. Nóren, Screening of microplastic particles in and downstream a wastewater treatment plant, IVL Swedish Environmental Research Institute,Stockholm, 2014.

[23] M. Heinonen, J. Talvitie, Preliminary study on synthetic microfibers and particles at a municipal waste water treatment plant,Baltic Marine Environment Protection Commission,Helsinki, 2014, http://www.helcom.fi/Lists/Publications/Microplastics%20at%20a%20municipal%20waste%20water%20treatment%20plant.pdf, accessed 14 June 2019.

[24] S.A. Carr, J. Liu, A.G. Tesoro, Transport and fate of microplastic particles in wastewater treatment plants, Water Research 91 (2016) 174–182.

[25] M.R. Michielssen, E.R. Michielssen, J. Ni, M.B. Duhaime, Fate of microplastics and other small anthropogenic litter (SAL) in wastewater treatment plants depends on unit processes employed, Environ. Sci.: Water Res. Technol. 2 (2016) 1064–1073.

[26] M.A. Browne, P. Crump, S.J. Niven, E. Teuten, A. Tonkin, T. Galloway, R. Thompson, Accumulation of Microplastic on Shorelines Woldwide: Sources and Sinks, Environ. Sci. Technol. 45 (2011) 9175–9179.

[27] H.S. Auta, C.U. Emenike, S.H. Fauziah, Distribution and importance of microplastics in the marine environment: A review of the sources, fate, effects, and potential solutions, Environment international 102 (2017) 165–176.

[28] A. Lechner, D. Ramler, 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.

[29] G. Gatidou, O.S. Arvaniti, A.S. Stasinakis, Review on the occurrence and fate of microplastics in Sewage Treatment Plants, Journal of hazardous materials 367 (2019) 504–512.

[30] J. Sun, X. Dai, Q. Wang, M.C.M. van Loosdrecht, B.-J. Ni, Microplastics in wastewater treatment plants: Detection, occurrence and removal, Water Research 152 (2019) 21–37.

[31] Deutscher Bundestag, Verordnung über Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer, AbwV, BGBl. I (2004) S. 1327, 2625.

[32] A.F. Herbort, K. Schuhen, A concept for the removal of microplastics from the marine environment with innovative host-guest relationships, Environmental Science and Pollution Research (2016) 1–5.

[33] A.F. Herbort, M.T. Sturm, K. Schuhen, 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.

[34] A.F. Herbort, M.T. Sturm, S. Fiedler, G. Abkai, K. Schuhen, Alkoxy-silyl Induced Agglomeration: A New Approach for the Sustainable Removal of Microplastic from Aquatic Systems, J Polym Environ 62 (2018) 1–13.

[35] M.T. Sturm, A.F. Herbort, H. Horn, K. Schuhen, 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 27 (2020) 10888–10898.

[36] M.T. Sturm, H. Horn, K. Schuhen, The potential of fluorescent dyes-comparative study of Nile red and three derivatives for the detection of microplastics, Analytical and bioanalytical chemistry 413 (2021) 1059–1071.

* M. Sturm, D. Schober, S. Haubensak, Dr. K. Schuhen, Wasser 3.0 gGmbH, 76187 Karlsruhe, Kontakt: schuhen@wasserdreinull.de

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

(ID:47624171)