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Problem erkannt ... Mikroplastik in kommunalen Kläranlagen nachhaltig entfernen

Autor / Redakteur: Adrian Frank Herbort und Jun.-Prof. Katrin Schuhen* / Dr. Ilka Ottleben

Inerte organisch-chemische Stressoren (IOCS), zu denen auch Mikroplastik zählt, können derzeit nicht durch kommunale Kläranlagen zurückgehalten werden, sondern gelangen in den Wasserkreislauf. Nun wurde ein konzeptbasierter Forschungsansatz in eine ganzheitliche Lösung überführt.

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Abb. 1: Über Abwasser und Klärschlamm aus Kläranlagen werden Mikroplastikpartikel direkt in die Umwelt eingetragen.
Abb. 1: Über Abwasser und Klärschlamm aus Kläranlagen werden Mikroplastikpartikel direkt in die Umwelt eingetragen.
(Bild: © darknightsky / Fotolia.com)

Inerte organisch-chemische Stressoren (IOCS) sind Verbindungen, die aufgrund langer Abbauzeiten sehr lange im Ökosystem verbleiben und dieses schädigen. Vertreter dieser Gruppe von Stressoren sind auch kleinste Kunststoffpartikel, die unter dem Begriff Mikroplastik bekannt sind. Gelangen Mikroplastikpartikel in den Wasserkreislauf, kommen Kläranlagen an ihre Grenzen. Dies gilt auch für viele andere organisch-chemische Stoffe wie Pharmazeutika.

Seit 2012 erforscht ein Team rund um Jun.-Prof. Dr. Katrin Schuhen von der Universität Koblenz-Landau einen neuen Ansatz zur Entfernung von anthropogenen Stressoren aus dem Wasser. Neben dem Entfernen von Medikamenten und Medikamentenrückständen (so genannten reaktiven organisch-chemischen Stressoren, ROCS) beschäftigen sich die Wissenschaftler seit 2015 auch intensiv mit der Eliminierung von so genannten inerten organisch-chemischen Stressoren (IOCS).

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Im Projekt Wasser 3.0 wird aktuell gemeinsam mit den Industriepartnern abcr GmbH und Zahnen Technik der Kläranlagentransfer umgesetzt, um sowohl Pharmazeutika als auch Mikroplastik in einem Verfahrensschritt nachhaltig aus dem Wasser zu entfernen.

„Polymere und deren Produkte regieren die Welt“

Die Produktionsmengen in der Kunststoffindustrie sind von 1,5 Millionen Tonnen im Jahr 1950 über einen Zeitraum von 65 Jahren auf 322 Millionen Tonnen im Jahr 2015 stetig angestiegen, Tendenz steigend. Der Großteil des Kunststoffes wurde im Jahr 2015 zu Verpackungen verarbeitet – in Deutschland sind es 35% der Gesamtproduktion. Doch auch in der Bauindustrie wird, mit einem Anteil von 24%, viel „Plastik“ benötigt. Der restliche Polymerbedarf verteilt sich auf Elektronik, Möbel, Haushaltswaren, Landwirtschaft, die Medizin und vieles mehr.

Im Jahr 2012 fielen europaweit 25,2 Millionen Tonnen Kunststoffabfälle an – davon wurden 9,6 Millionen Tonnen deponiert und 15,6 Millionen Tonnen zurückgewonnen. Circa 42% dieser rückgewonnenen Abfälle wurden recycelt und circa 57% zur Energierückgewinnung verbrannt. Aber dies ist nur der direkt sichtbare „Plastik-Müll“, der im Recyclingprozess bedacht wird. Was ist jedoch mit den unreaktiven (inerten) organisch-chemischen Verbindungen und deren Abbauprodukten, wenn diese in das Ökosystem gelangen [1]?

Mikroplastik ist ein globales Problem

Mikroplastikpartikel können über kommunale und industrielle Abwässer in die Umwelt gelangen. Man unterscheidet primäres von sekundärem Mikroplastik, die Quellen indes sind extrem vielfältig. Primäres Mikroplastik findet sich beispielsweise in Körperpflegeprodukten und Reinigungsmitteln. Diese Mikroplastikpartikel sind hauptsächlich aus Polyethylen (PE), aber auch aus Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) zusammengesetzt und ihre mittlere Größe liegt zwischen 150 und 330 μm, die Mindestgröße unter 10 μm [2].

Ergänzendes zum Thema
LP-Tipp– zu Mikroplastik

Mikroplastikpartikel haben eine mittlere Größe zwischen 150 und 330 μm und eine Mindestgröße unter 10 µm. Man unterscheidet zwischen bewusst erzeugten Mikroplastikpartikeln zu Gebrauchszwecken, z.B. in Kosmetika (primäres Mikroplastik), und solchen, die durch den Zerfall von Kunststoffprodukten entstehen (sekundäres Mikroplastik). Mikroplastik ist in fast allen Bereichen der Umwelt und nahezu global vertreten.

Die geschätzte Belastung von Mikropartikeln in den Umweltkompartimenten Boden und Wasser in Deutschland betrug 500 t/ Jahr und in Europa 8600 t im Jahr 2016 [3-5]. Die Freisetzung von synthetischen Fasern beim Waschen von Textilien ist eine weitere Quelle von Mikroplastik [6]. Textilien bestehen hauptsächlich aus Polyester (PES) (78%), gefolgt von Polyamid (PA) (9%), PP (7%) und Acryl (5%). Bis zu 700 000 Fasern können in einem Waschprozess freigesetzt werden [7]. Andere Quellen von solchem als sekundär bezeichneten Mikroplastik sind Abrieb von alltäglichen Kunststoffprodukten und Polyvinylalkohol (PVAL) aus Hygieneprodukten [4, 8, 9].

Die stetig steigende Produktvielfalt im Kunststoffbereich hat zur Folge, dass Abfallkonzepte immer notwendiger werden. Unachtsame Handhabung sorgt dafür, dass viele Kunststoffgegenstände nicht regelkonform entsorgt werden. Durch äußere Einflüsse kommt es zur Fragmentierung, wodurch ebenfalls sekundäre Mikrokunststoffe entstehen. Mikropartikel aus z.B. Textilfasern, Reinigungsprodukten oder Reifenabrieb gelangen anschließend in die Kläranlage, welche ein nachhaltiges Zurückhalten der Partikel nicht garantieren kann.

In Kläranlagen wird durch den Klärschlamm ein Großteil der Mikropartikel entfernt [10-12]. Die restlichen Partikel werden mit dem Abwasser weiter in die Oberflächengewässer transportiert, was zu einer erhöhten Mikroplastikkonzentration in der Nähe von Abwasserbehandlungsanlagen führt [6, 13]. Da der Klärschlamm aus Kläranlagen als Dünger verwendet wird, werden die angereicherten Mikroplastikpartikel direkt in die Umwelt eingetragen [14]. So gelangen Mikrokunststoffe ungehindert in die Umweltkompartimente und haben fatale Folgen für Mensch, Tier und Natur.

Wie steht es um die Mikroplastik-Forschung?

Betrachtet man die wissenschaftliche Community wird schnell klar, das Mikroplastik ein Brennpunktthema ist (>700 Publikationen in den letzten fünf Jahren). Viel Geld wird investiert, um für Aufklärung zu sorgen, doch ein entsprechendes wirtschaftliches Verfahren zur Elimination der bereits in die Umwelt gelangten Partikel konnte bis dato nicht etabliert werden, auch fehlt es an einer geeigneten analytischen Methode, die die Partikelbelastungen quantifiziert.

Projekte zur Risikobetrachtung, ökotoxikologische Fragestellungen, Quellen und Senken von Mikroplastik oder analytische Ideen werden vom Bund gefördert. Selbstverständlich sind Grundlagenforschungen zur Gefahreneinstufung und -beurteilung essenziell, aber ohne neue Konzepte zur nachhaltigen Entfernung von Mikroplastik aus der Umwelt kann es nicht weitergehen.

Es ist wichtig, eine Aussage über die Gesamtpartikelbelastung zu treffen, welche als Summenparameter (vgl. TOC, CSB oder BSB) dienen kann. Durch einen Partikeleliminationsindex (PEI) ist genau dies möglich [15]. Lösungsorientierte Forschungsansätze im Engineering und Anlagenbau sowie die Etablierung eines einheitlichen Analytikverfahrens zur Gefährdungseinstufung belasteter Gewässer sind zwingend notwendig, um die Belastungsthematik beherrschbar zu machen.

Effizientes Verfahren zur Entfernung von Mikroplastik

Das erste effiziente Verfahren zur Entfernung von Mikroplastik aus Abwässern, Stressfix2, wurde von der Arbeitsgruppe Organische und Ökologische Chemie der Universität Koblenz-Landau in einem Pilotversuch in der Kläranlage der EW Landau im ersten Quartal des Jahres 2017 erfolgreich getestet. Wie bereits für die Entfernung der reaktiven organischen Stressoren bedient sich das Team Wasser 3.0 rund um Jun.-Prof. Dr. Katrin Schuhen anorganisch-organischer Hybridkiesel­gele.

Zusammen mit den Unternehmen abcr und Zahnen Technik arbeitet das Forscher- und Entwicklerteam aus Synthesechemikern, Umweltwissenschaftlern und Abwassertechnikern an adaptierbaren Systemen, die in einer Wasser-induzierten Reaktion Schadstoffe binden und aufgrund des resultierenden Partikelwachstums die Gesamtheit unerwünschter Partikel einfach abtrennbar machen.

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Lokalisierte hydrophobe Wechselwirkungen zwischen Bindematerial und IOCS initiieren eine Lokalisation der im Wasser verteilten inerten Partikel unabhängig von der Kunststoffart. Eine anschließende Kondensationsreaktion bildet ein Makromolekül, welches zum Einschluss der Mikrokunststoffe führt [16, 17]. Dadurch kommt es zum Partikelwachstum, was eine einfache Entfernung aus dem Abwasser (mittels z.B. Sandfang) möglich macht [18, 19]. Dieses Konzept konnte bereits 2016 im Labormaßstab erfolgreich getestet werden (s. Abb. 2), [15].

Nach positiven Reproduktionsversuchen im Labor wurde zu Beginn des Jahres 2017 ein Scale-Up-Experiment durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass auch im 1000-fach größeren Maßstab (2000 l Reaktorvolumen), die gleichen Resultate erzielt werden können (s. Abb. 3) wie im Labormaßstab.

LP-Dossier Mikroplastik In unserem Dossier „Mikroplastik“ haben wir für Sie weitere Forschungsvorhaben und -erkenntnisse zum Thema Mikroplastik zusammengefasst u.a. ein Interview mit Prof. Christian Laforsch von der Universität Bayreuth zum Thema Mikroplastik in Binnengewässern.

Kostengünstige und universell implementierbare Lösung

Der Verfahrensansatz zur Entfernung inerter organisch-chemischer Stressoren (IOCS) des Projekts Wasser 3.0 – Stressfix2 liefert eine kostengünstige und effiziente Lösung, welche in jeder Kläranlage implementiert werden kann. Des Weiteren ist Stressfix2 problemlos mit Stressfix (Entfernung von löslichen organisch-chemischen Stressoren) kombinierbar, sodass eine modular auf variable Stressoren anpassbare Anlageneinheit passgenau für den Einsatzort konstruiert werden kann. Dabei ergeben sich Vorteile nicht nur in den Anschaffungs- und Betriebskosten, sondern auch in ökologisch relevanten Aspekten (energiesparend, Nutzung des Reaktionsprodukts zur thermischen Energiegewinnung).

Auch im Bereich der gesellschaftlichen Aufklärung übernehmen die Landauer Forscher eine Führungsrolle. Durch ihre Mikroplastik-Kampagne werden derzeit viele Menschen zum Thema informiert und sensibilisiert. Forschung, Entwicklung, Bildung und Kommunikation aus einer Hand, das verspricht nicht nur Jun.-Prof. Dr. Katrin Schuhen, sondern sie setzt dies auch seit vielen Jahren erfolgreich um [20].

Das Forschungsprojekt Wasser 3.0 – Stressfix2 wurde mit der finanziellen Unterstützung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie durch Bereitstellung von ZIM-Mitteln zwischen 2015 und 2017 durchgeführt. Das Unternehmen abcr aus Karlsruhe ist als Industriepartner für den materialwissenschaftlichen Scale-up direkt projektinvolviert. Zahnen Technik aus Arzfeld beschäftigt sich seit April 2017 mit dem Anlagenbau und Engineering.

Literatur:

[1] Wasser 3.0, Mikroplastikkampagne. http://wasserdreinull.de/kampagnen/faktencheck.html. Eingesehen am 16.05.2017.

[2] Napper, I.E., Bakir, A., Rowland, S.J., Thompson, R.C., Characterisation, quantity and sorptive properties of microplastics extracted from cosmetics, Marine Pollution Bulletin 99 (2015) Nr. 1-2, S. 178–185. doi:10.1016/j.marpolbul.2015.07.029.

[3] Miklos, D., Obermaier, N., Jekel, M., Mikroplastik: Entwicklung eines Umweltbewertungskonzepts: Erste Überlegungen zur Relevanz von synthetischen Polymeren in der Umwelt, Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau2016.

[4] Sherrington, C., Darrah, C., Hann, S., Cole, G., Corbin, M., Study to support the development of measures to combat a range of marine litter sources, Report for European Commission DG Environment (2016).

[5] Miklos, D., Obermaier, N., Jekel, M., Mikroplastik: Entwicklung eines Umweltbewertungskonzepts: Erste Überlegungen zur Relevanz von synthetischen Polymeren in der Umwelt, Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau2016.

[6] Browne, M.A., Crump, P., Niven, S.J., Teuten, E., Tonkin, A., Galloway, T., Thompson, R., Accumulation of microplastic on shorelines woldwide: sources and sinks, Environmental science & technology 45 (2011) Nr. 21, S. 9175–9179. doi:10.1021/es201811s.

[7] Napper, I.E., Thompson, R.C., Release of synthetic microplastic plastic fibres from domestic washing machines: Effects of fabric type and washing conditions, Marine Pollution Bulletin (2016). doi:10.1016/j.marpolbul.2016.09.025.

[8] Mintenig, S., Int-Veen, I., Löder, M., gerdts, G., Mikroplastik in ausgewählten Kläranlagen des Oldenburgisch-Ostfriesischen Wasserverbandes (OOWV) in Niedersachsen. Alfred-Wegener-Institut, Probenanalyse mittels Mikro-FTIR Spektroskopie. Final report for the OOWV Helgoland.

[9] Mintenig, S., Int-Veen, I., Löder, M., Gerdts, G., Mikroplastik in ausgewählten Kläranlagen des Oldenburgisch- Ostfriesischen Wasserverbandes (OOWV) in Niedersachsen (2014).

[10] Heinonen, M., Talvitie, J., Preliminary study on synthetic microfibers and particles at a municipal waste water treatment plant,Baltic Marine Environment Protection Commission,Helsinki.

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

[12] Murphy, F., Ewins, C., Carbonnier, F., Quinn, B., Wastewater Treatment Works (WwTW) as a Source of Microplastics in the Aquatic Environment, Environmental science & technology 50 (2016) Nr. 11, S. 5800–5808. doi:10.1021/acs.est.5b05416.

[13] Estahbanati, S., Fahrenfeld, N.L., Influence of wastewater treatment plant discharges on microplastic concentrations in surface water, Chemosphere 162 (2016) S. 277–284. doi:10.1016/j.chemosphere.2016.07.083.

[14] Rochman, C.M., Kross, S.M., Armstrong, J.B., Bogan, M.T., Darling, E.S., Green, S.J., Smyth, A.R., Veríssimo, D., Scientific Evidence Supports a Ban on Microbeads, Environmental science & technology 49 (2015) Nr. 18, S. 10759–10761. doi:10.1021/acs.est.5b03909.

[15] Herbort, A.F., Sturm, M.T., Hiller, C., Schuhen, K., Nano- und Mikroplastik – Braucht es eine komplizierte Einzelstoffdetektion bei der Gewässeranalytik? Umdenken mit dem Wasser 3.0 – PEI?!, GIT Labor-Fachzeitschrift (03/2017).

[16] Schuhen, K., Hybridkieselsäurematerial, insbesondere zur Fixierung anthropogener Verunreinigungen aus einem aquatischen Umfeld Nr. WO2016166219 (A1), 2016.

[17] Herbort, A.F., Schuhen, K., A concept for the removal of microplastics from the marine environment with innovative host-guest relationships, Environmental Science and Pollution Research (2016) S. 1–5. doi:10.1007/s11356-016-7216-x.

[18] Liu, L., Guo, Q.-X., Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry 42 (2002) Nr. 1/2, S. 1–14. doi:10.1023/A:1014520830813.

[19] Abraham, M.H., Free energies, enthalpies, and entropies of solution of gaseous nonpolar nonelectrolytes in water and nonaqueous solvents. The hydrophobic effect, Journal of the American Chemical Society 104 (1982) Nr. 8, S. 2085–2094. doi:10.1021/ja00372a001.

[20] Wasser 3.0, Forschung-Verstehen-Lernen. http://wasserdreinull.de/kampagnen.html. Eingesehen am 16.05.2017.

* A. F. Herbort und Jun.-Prof. Dr. K. Schuhen: Universität Koblenz-Landau, Institut für Umweltwissenschaften, AG Organische und Ökologische Chemie, 76829 Landau

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