Как очистить сточные воды от микропластика?

2025-10-31 14:16 Отходы и пластик

Группа ученых из исследовательских институтов Туниса и Индии сделала большой обзор загрязнения сточных вод микропластиком и проанализировала последние исследования методов очистки, выделив самые эффективные.

Сточные воды и их осадок, используемые как удобрение, одна из главных причин загрязнения земель микропластиком (МП). Исследования выявили различные концентрации МП в почве Европы, Америки, Африки, Китая, варьирующиеся от 1000 до 18 760 частиц на килограмм почвы, причем, по мнению ученых, применение осадка сточных вод является основным фактором загрязнения. Помимо этого почву могут также загрязнять синтетическими микрочастицами удобрения и сельскохозяйственный пластик (например, остатки мульчирующих пленок, теплиц, сеток).

Один из способов борьбы с МП загрязнением является предварительная очистка сточных вод и осадка. Как сегодня очищают сточные воды и какие методы показывают эффективность? Разбираемся в этом материале и показываем выводы исследователей. Чаще всего, очистка делится на три этапа. В каждом из них — используются свои методы.

Первый этап: просеивание и осаждение.

Просеивание используется для фильтрации более крупного мусора, предотвращая его попадание в процесс очистки. Осаждение отделяет взвешенные твердые частицы от воды, легкие поднимаются на поверхность и снимаются, тяжелые оседают на дно виде шлама.

При этом 70 до 90% пластиковых частиц размером 300 мкм или более эффективно устраняются. Но этот процесс не может эффективно удалять МП меньшего размера и низкой плотности.

Второй этап: аэрация и внесение активного ила.

В сточные воды вводится кислород для роста бактерий из активного ила, которые разлагают органические и другие загрязняющие вещества на простые соединения.

Волокна и фрагменты МП в илах отстойников обычно размером менее 1 мм.

В некоторых очистных сооружениях во второй этап включены коагуляция и флокуляция.

Коагуляция – это начало процесса объединения мелких распределенных частиц в более крупные агрегаты с помощью введения солей алюминия или железа и нейтрализации электрических зарядов. Флокуляция – это «увеличение» хлопьев: хлопья смешивают и, таким образом, создают условия для соединения микрохлопьев в крупные, прочные комья.

Они легче удаляются путем отстаивания, флотации или фильтрации). Эффективность этих методов зависит от размера и плотности частиц, а также типа коагулянта и флокулянта и от дозировки. Например, квасцовый коагулянт эффективен для МП меньшего размера и высокой плотности, с эффективностью удаления 70,7%. Кроме того, флокулянты, такие как сульфат железа, эффективно устраняют микрочастицы малого размера (от 106 до 300 мкм).

Третий этап: хлорирование, фильтрация и передовые процессы окисления.

Хлорирование является недорогим методом дезинфекции, но этот процесс приводит к образованию вредных побочных продуктов. Для решения этой проблемы применяются такие методы, как УФ-обработка, озонирование, фотокатализ и методы адсорбции. Они улучшают качество сточных вод перед повторным использованием. Эти же методы по данным разных исследований удаляют МП из сточных вод, с эффективностью от 60% до более 90% в зависимости от конкретной методики и условий очистки.

Исследования недавно показали эффективность различных процессов окисления. Например, метод окисления Фентона превосходно удаляет ПВХ и ПП, особенно при высоких температурах (выше 100°C) – до 96%. Но озонирование увеличивает фрагментацию МП, что приводит к образованию новых и более мелких частиц. Методы фильтрации являются здесь наиболее эффективными методами очистки загрязнителей: используется песок, активированный уголь, мембранная фильтрация.

Под мембранной фильтрацией здесь имеются в виду разные методы:

мембранные биореакторы (МБР),
вращение растворенного воздуха (ВРВ),
дисковые фильтры (ДФ),
скорые песчаные фильтры (СПП),
динамические мембранные системы (ДМ).
обратный осмос (ОО)
микрофильтрация (МФ)

Среди них МБР зарекомендовали себя как высокоэффективные методы, достигающие удаления до 99,9%, за ними следует ВРВ с эффективностью удаления 95%.

Несмотря на высокую эффективность таких методов, как обратный осмос (ОО) и микрофильтрация (МФ), воды после очистки по-прежнему содержат значительное количество пластиковых частиц. Исследования демонстрируют, что стоки после ОО могут содержать порядка 0.21 частицы МП на литр.

В ответ на эту проблему разрабатываются несколько стратегий:

Гибридные системы. Предлагается интеграция мембран обратного осмоса с ультрафильтрационными мембранами. Это почти полностью удаляет МП и наночастиц из сточных вод
Динамические мембраны (ДМ). Их эффективность основана на использовании высокопроницаемой основы с крупными порами. В процессе фильтрации на поверхности ДМ формируется слой осадка (гель-слой или «динамический слой») из взвешенных твердых частиц, который сам выступает в роли барьера. Этот слой эффективно улавливает МП, предотвращая их прохождение через основную мембрану.
Нанофильтрация (НФ). Мембраны нанофильтрации характеризуются неоднородной структурой, сочетающей фильтрирующие пористые области и более плотные секции. Это способствует эффективному задержанию МП без значительного увеличения склонности мембраны к загрязнению. Ключевым параметром является размер пор: мембраны с меньшим размером пор (например, ~0.128 нм) демонстрируют значительно более высокую эффективность удаления МП по сравнению с мембранами с порами большего размера (например, ~1.28 нм).

Многочисленные исследователи разрабатывают новые мембраны, которые удаляют даже легкие органические молекулы и соли, меньшие по размеру, чем большинство МП и наночастиц. Их свойства делают эти мембраны весьма перспективными для борьбы с загрязнением микро- и нанопластиком. Они экономны с точки зрения траты воды. Однако многие из них остаются на этапе лабораторных испытаний и не готовы к промышленному производству.

Системы очистки сточных вод на естественной основе, в частности, искусственные водно-болотные угодья привлекают больше внимания, чем традиционные методы, благодаря своей энергоэффективности, возможностям экологического восстановления и минимальному образованию вторичных загрязнителей. Они демонстрируют оптимальную эффективность очистки, включая МП благодаря взаимодействию между растительностью водно-болотных угодий, материалами субстрата, почвой и связанными с ними микробными сообществами. Однако исследований этого метода недостаточно.

Перспективы очистных технологий не должны скрывать их ключевое ограничение: они представляют собой «решение на конце трубы», борясь со следствиями, а не с причиной загрязнения. Их эффективность на практике содержит методологические пробелы – например, наночастицы в большинстве исследований просто не учитываются, также МП размером менее 1 мкм остаются практически необнаружимыми с помощью современных методов микроскопии. В России же проблема носит более фундаментальный характер: отсутствуют даже базовые очистные сооружения во многих регионах (по оценкам, лишь около 60-70% сточных вод в городах проходят нормативную очистку, не говоря уже о сельской местности).

Именно поэтому борьба с микропластиком не может сводиться только к технологиям очистки. Она требует комплексной стратегии, включающей как их усовершенствование, так и системный переход к циркулярной экономике, снижению потребления пластика и принципам устойчивого развития, направленным на переосмысление жизненного цикла материалов.