پلیمرهای زیستی

چکیده

وجود نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب به طور فزاینده‌ای به یک چالش بزرگ زیست‌محیطی تبدیل شده است. یک چالش کلیدی در تشخیص آنها در تکنیک‌های تحلیلی نسبتاً ناکافی موجود است که از درک عمیق سرنوشت نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب جلوگیری می‌کند. وجود نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب باعث نگرانی کیفیت آب تصفیه شده می‌شود. نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها به دلیل اندازه گسترده اما کوچک و ماهیت‌های شیمیایی متنوع‌شان، ممکن است به راحتی در فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب وارد شوند و چالش‌هایی را در فرآیندهای تصفیه موجب گردند. هدف این مقاله بررسی سرنوشت و تأثیر نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب است. مکانیسم‌های شکل‌گیری، خواص فیزیکی و شیمیایی و وجود نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب با برهم‌کنش‌های نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها با فرآیندهای تصفیه‌خانه آب و فاضلاب مرتبط است و راه‌حل‌های بالقوه برای محدود کردن این فعل و انفعالات بررسی می‌شوند.

واژه‌های کلیدی: نانوپلاستیک، میکروپلاستیک، تصفیه، فاضلاب، کیفیت آب.

 مقدمه 

سالانه حدود 300 میلیون تن پلاستیک در سطح جهان تولید می‌شود که از این میان تا 13 میلیون تن در رودخانه‌ها و اقیانوس‌ها رها می‌شود که تا سال 2025 به مقدار تجمعی پیش‌بینی شده 250 میلیون تن پلاستیک می‌رسد. عمر مفید محصولات پلاستیکی ممکن است تا بیش از 50 سال متفاوت باشد. از آنجایی که مواد پلاستیکی به سختی از طریق هوازدگی و زمان تجزیه می‌شوند، برای سال‌ها تا دهه‌ها در محیط آبی انباشته شده و باقی می‌مانند و یکی از نگرانی‌های اصلی در مورد آلودگی پلاستیک هستند (Abdelrasoul, et al. 2013). 

در بین کلیه زباله‌های پلاستیکی، ذرات پلاستیکی از 1 میلی‌متر تا 5 میلی‌متر به‌عنوان میکروپلاستیک تعریف می‌شوند، در حالی که ذرات پلاستیکی کوچک‌تر از 1 میلی‌متر به عنوان نانوپلاستیک طبقه‌بندی می‌شوند. طبقه‌بندی نانو/میکروپلاستیک‌ها به طور رسمی به رسمیت شناخته نشده است و طبقه‌بندی‌های مختلفی گزارش شده است. یک مطالعه، میکروپلاستیک‌ها را به عنوان کوچک یا بزرگ تعریف می‌کرد اگر اندازه آنها به ترتیب کمتر یا بیشتر از 1 میلی‌متر باشد، درحالیکه کار دیگری از سطح وضوح ذرات شناسایی شده برای طبقه‌بندی استفاده می‌کرد.

وجود نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب‌های شور و شیرین مانند رودخانه‌ها، اقیانوس‌ها و فاضلاب‌ها به‌طور جامع بررسی شده است. در میان تمام سیستم‌های آلوده، تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب نیز به عنوان مسیری برای ورود نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در نظر گرفته می‌شوند، زیرا یک واحد می‌تواند تا ۱۰^۱۰ در روز را در پساب‌ها آزاد کند.  گرچه راندمان حذف ممکن است در برخی موارد به 99٪ برسد، اما هنوز تعداد زیادی نانوپلاستیک و میکروپلاستیک از طریق تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب در محیط منتشر می‌شود که به آلودگی اکوسیستم‌های آبی کمک می‌کند (Brandt, et al. 2017).

تاثیر منفی نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها بر محیط آبی به طور گسترده گزارش شده و سمیت نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب نشان داده شده است. اندازه کوچک و سطح ویژه بالای نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها، بلع آنها توسط موجودات زنده را تسهیل می‌کند و خطر جذب/دفع مواد شیمیایی سمی در آب یا درون بافت‌های موجودات زنده را افزایش می‌دهد. مطالعات اخیر افزایش اثرات نامطلوب نانوپلاستیک‌ها را در مقایسه با میکروپلاستیک‌ها گزارش کرده‌اند، اما به دلیل چالش تحلیلی در تشخیص آن‌ها، کمبود دانش در مورد حضور نانوپلاستیک‌ها در آب وجود دارد. از این رو، میزان نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها که از طریق تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب در محیط رها می شوند، نامشخص است (Cai, et al. 2018).

مطالعات اخیر وجود نانوپلاستیک‌ها در آب را گزارش کرده و بیان کرده است که تعداد واقعی نانوپلاستیک‌ها در آب بیشتر از حد انتظار است. بنابراین، آلودگی مناطق بسیار آلوده مانند تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب می‌تواند حتی بدتر از گزارشات قبلی باشد که نگرانی‌های متعددی را ایجاد می‌کند. غلظت بالای ذرات پلاستیکی نانومتری و میکرومتری در آب می‌تواند بر عملکرد فرآیندهای تصفیه آب مانند واحدهای فیلتراسیون که ممکن است به دلیل بسته شدن یا سایش ذرات مسدود یا آسیب ببینند، تأثیر بگذارد. علاوه بر این، نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها که از طریق فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب حرکت می‌کنند، با نیروهای برشی متفاوت ناشی از اختلاط یا پمپاژ مواجه می‌شوند که می‌تواند نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها را به اقلام کوچک‌تر تبدیل کند و تعداد نانوذرات سمی آزاد شده در آب را افزایش دهد. اطمینان از کارآمد بودن فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب و محافظت از نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها برای جلوگیری از هر گونه مسائل عملیاتی و اثرات مالی و همچنین محدود کردن تشکیل و انتشار نانوپلاستیک‌ها مضر در محیط از اهمیت بالایی برخوردار است (Lai, et al. 2014).

اگرچه تعداد فزاینده‌ای از مطالعات با تمرکز بر میکروپلاستیک‌ها منتشر می‌شود، کمبود دانش در مورد تعاملات بین نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها و فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب وجود دارد. تولید نانوپلاستیک‌ها از تجزیه میکروپلاستیک‌ها مورد بحث قرار گرفته است، با این وجود هیچ تلاشی برای ارتباط مکانیسم خرد شدن با خواص مکانیکی میکروپلاستیک‌ها و نانوپلاستیک‌ها انجام نشده است. علاوه بر این، وجود و سرنوشت میکروپلاستیک‌ها از طریق تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب مشخص شده است، اما تاثیر فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب بر خردن شدن میکروپلاستیک‌ها و پیامدهای ناشی از آن بر عملکرد تصفیه‌خانه‌های آب هنوز بررسی نشده است. از این رو، این بررسی با هدف ارائه یک تحلیل انتقادی از تعاملات نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها با سیستم‌های تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب فعلی بر اساس اطلاعات موجود در مورد مکانیسم تولید و وقوع نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب، سرنوشت و تأثیر نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در حال عبور از واحدهای تصفیه آب و فاضلاب و راه‌حل‌های بالقوه برای کاهش تعاملات بین فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب و نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها. با توجه به این بررسی، در نهایت چشم‌انداز جهت‌گیری‌های کلیدی تحقیقات آینده ارائه می‌شود.

کاهش ابعاد میکروپلاستیک به نانوپلاستیک

توانایی اقلام پلاستیکی برای خرد شدن به میکروپلاستیک‌ها گزارش شده است، بنابراین انتظار می‌رود که قطعه قطعه شدن میکروپلاستیک‌ها به نانوپلاستیک‌ها با همان مکانیسم نیز رخ دهد (Abdelrasoul, et al. 2013).

اگرچه شناسایی نانوذرات سخت است، انتشار نانوذرات به اندازه 30 نانومتر پس از قرار گرفتن در معرض گلوله‌های پلی‌اتیلنی و پلی‌پروپیلنی در محیط کوچک آبی در فضای باز گزارش و با ناپدید شدن مواد حجیم بیشتر برجسته شده است. در مقایسه با مرجع پلی‌اتیلن که در معرض هوازدگی قرار نگرفت، تعداد قطعات در اندازه نانو پس از قرار گرفتن در شرایط هوازدگی تا پنج مرتبه افزایش یافت. وجود نانوپلاستیک‌ها تایید می‌کند که تئوری تخریب اقلام پلاستیکی بزرگ به میکروپلاستیک‌ها می‌تواند یک گام جلوتر به تخریب میکروپلاستیک‌ها به موارد کوچکتر مانند نانوپلاستیک‌ها گسترش یابد. علاوه بر این، نانوپلاستیک‌ها در محصولات آرایشی شناسایی شدند. این مطالعه نشان می‌دهد که شکستگی فیزیکی میکروپلاستیک‌ها در لوازم آرایشی، در حین ساخت یا استفاده، می‌تواند منجر به تشکیل و آزادسازی نانوپلاستیک‌ها در آب و افزایش سهم نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها ثانویه در آلودگی پلاستیک شود. همانطور که برای قطعات بزرگ پلاستیک توضیح داده شد، فرآیند تولید بر خرد شدن میکروپلاستیک‌ها تأثیر می‌گذارد زیرا می‌تواند در نتیجه ساختن ذرات، نقص‌هایی ایجاد کند. میکروپلاستیک‌های اولیه مانند گلوله‌های صنعتی، پودرها و پرکننده‌ها معمولاً از طریق فرآیند خرد کردن تولید می‌شوند که در آن اندازه ذرات جامد به طور عمدی در اثر ضربه، فشار یا نیروهای برشی کاهش می‌یابد. خرد شدن معمولاً با خرد کردن و آسیاب کردن انجام می‌شود تا عیوبی مانند ترک بر روی ذرات ایجاد شود که با شکستن کامل به قطعاتی تکثیر می‌شوند. بسته به استحکام کششی و مدول الاستیسیته مواد، می‌توان ترک‌هایی را روی سطوح قطعات مشاهده کرد. در مورد میکروپلاستیک‌ها که به آب ختم می‌شوند، این نقص‌ها سطوح ذرات را ضعیف می‌کنند و بنابراین منجر به شکست میکروپلاستیک‌ها به نانوپلاستیک‌ها می‌شود. تا به امروز، هیچ داده تجربی نشان‌دهنده خرد شدن میکروپلاستیک‌ها به نانوپلاستیک‌ها در آب به دلیل انتشار گزارش نشده است (Estahbanati and Fahrenfeld, 2016).

دانش در مورد مکانیسم خرد شدن میکروپلاستیک‌ها به نانوپلاستیک‌ها و اندازه، شکل و تعداد ذرات پلاستیک حاصل وجود ندارد. از این رو، کار بیشتری باید با استفاده از ذرات جامد پلاستیکی انجام شود که مشخص است در آب یا در شرایط محیطی واقعی قرار می‌گیرند، اگرچه اجرای دومی پیچیده‌تر است (Kotsilkova, et al. 2018).

برهمکنش‌های بین نانو/میکروپلاستیک و فرآیندهای تصفیه آب/فاضلاب

فرآیندهای تصفیه آب برای حذف ناخالصی‌ها از آب مانند خاک رس، فلز یا چوب طراحی شده‌اند، با این حال هیچ یک از آنها برای حذف نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها طراحی نشده‌اند. فعل و انفعالات ناخواسته ممکن است بین تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب و نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها مانند تاثیر خواص فیزیکی و شیمیایی ذرات بر عملکرد فرآیندهای تصفیه آب رخ دهد. این بخش تاثیر متقابل بین واحدهای تصفیه و نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها را از نظر خرد شدن ذرات و کاهش عملکرد تصفیه آب بر اساس اصل کار فرآیندها و وقوع و رفتار نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب بررسی می‌کند (Filipe, et al. 2010).

وقوع نانو/میکروپلاستیک در تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب

دانستن رفتار نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب برای پیش‌بینی تعامل آنها با فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب از نظر پایداری، فعل و انفعالات فیزیکی و شیمیایی مفید است‌. کمی‌سازی نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها موجود در آب، تخمین خوبی از تعدادی که از طریق تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب ها عبور می‌کنند و بنابراین اهمیت تأثیر آنها بر فرآیندهای تصفیه را امکان‌پذیر می‌کند (Brandt, et al. 2017).

سازه‌های تصفیه‌خانه آب و فاضلاب

تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب برای تصفیه آب و فاضلاب با حذف آلاینده‌ها برای تولید آب قابل استفاده مجدد یا آشامیدنی و انتشار فاضلاب تصفیه شده در محیط با استفاده از طراحی واحد تصفیه و سازماندهی شده برای حذف ترکیبات خاص در آب استفاده می‌شود. یک دستگاه تصفیه آب معمولی شامل یک مرحله انعقاد و شناورسازی یا تهنشینی برای حذف ذرات جامد است، به دنبال آن یک مرحله فیلتراسیون برای جمع‌آوری ناخالصی‌های معلق و مرحله نهایی ضدعفونی استفاده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که هیچ باکتری یا ویروسی در آب تصفیه‌شده آزاد نمی‌شود. با این حال، به دلیل نیاز روزافزون به آب آشامیدنی سالم، الزامات کیفیت آب سخت‌تر می‌شوند. در نتیجه، استفاده از فرآیندهای تصفیه آب پیشرفته مانند فیلتراسیون غشایی و اکسیداسیون ممکن است ضروری باشد. به عنوان مثال، صنایع شیرین‌سازی آب، نوشابه‌سازی و لبنیات از چنین فرآیندهایی استفاده می‌کنند.

فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب مشابه هستند، به استثنای فرآیندهای بیولوژیکی که در طول تصفیه فاضلاب به دلیل محتوای مواد آلی بالا مورد نیاز است. تصفیه فاضلاب شامل چهار مرحله اصلی است که به عنوان تصفیه مقدماتی، اولیه، ثانویه و تکمیلی تعریف می‌شود. برای حذف ذرات درشت مانند چوب، ماسه یا سنگ، ابتدا از تصفیه‌های مقدماتی و اولیه مانند آشغالگیر درشت، دانه‌گیر و تهنشینی استفاده می‌شود. مواد آلی معلق سپس توسط یک تصفیه ثانویه که به عنوان فرآیند لجن‌فعال تعریف می‌شود که معمولاً از یک مخزن هوادهی یا یک بیوراکتور غشایی تشکیل شده است، حذف می‌شود. یک فرآیند ضدعفونی به عنوان یک تصفیه تکمیلی برای حذف آلاینده‌های بیماری‌زا قبل از تخلیه آب تصفیه شده انجام می‌شود. در این مرحله معمولاً از کلر، ازن و ماورای بنفش استفاده می‌شود. فرآیندهای تصفیه فاضلاب تولید لجن می‌کنند که قبل از دفع یا استفاده مجدد تصفیه می‌شود. هدف از تصفیه لجن، تغلیظ مواد جامد موجود در لجن مانند مواد آلی، از بین بردن عوامل بیماری‌زا، جمع‌آوری محصولات جانبی مانند بیوگاز و دفع لجن به روشی قابل قبول از نظر زیست‌محیطی است. یک فرآیند معمولی تصفیه لجن به سه مرحله اصلی تقسیم می شود که به عنوان تغلیظ، تثبیت و آبگیری قبل از دفع تعریف می‌شود (Estahbanati and Fahrenfeld, 2016).

تعیین کمیت نانو/میکروپلاستیک‌های به دام افتاده توسط فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب

وجود میکروپلاستیک‌ها در پساب‌های تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب با اندازه‌های 20 تا 1000 میکرومتر و مقادیر متفاوت از 930000 تا 4000000000 گزارش شده است. این نشان می‌دهد که آنها قبل از رها شدن به رودخانه‌ها، از طریق جریان‌های آب از تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب عبور می‌کنند. بسته به نوع واحدهای تصفیه مورد استفاده، تعداد متفاوتی از میکروپلاستیک‌ها فرآیند را طی می‌کنند، که نشان‌دهنده تعامل ترجیحی میکروپلاستیک‌ها با واحدهای خاص است. مطالعات اخیر گزارش داده است که تا 45 درصد از میکروپلاستیک‌ها از 100 میکرو‌متر تا 5000 میکرو‌متر با تصفیه اولیه در تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب مختلف حذف شده‌اند. تصفیه‌های ثانویه به لطف لخته‌سازهای شیمیایی و باکتری‌هایی که در مخازن زلال‌سازی تهنشین می‌شوند، 50 درصد میکروپلاستیک‌ها را از فاضلاب حذف می‌کنند. میکروپلاستیک‌های کوچکتر از 500 میکرومتر به طور کامل از پساب تصفیه ثانویه حذف شدند. وجود میکروپلاستیک‌ها همچنین در لجن بازیابی شده از تصفیه فاضلاب ثانویه با بیش از 20000 میکروپلاستیک در هر کیلوگرم لجن خشک گزارش شده است (Cai, et al. 2018).

کمتر از 2 درصد میکروپلاستیک‌ها در پساب تصفیه‌های تکمیلی/پیشرفته با اندازه ذرات در محدوده 20 تا 100 میکرو‌متر در پساب شناسایی شد، این اغلب به استفاده از فناوری‌های فیلتراسیون غشایی مانند اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس مربوط است. این نتیجه نشان می‌دهد که مقدار زیادی از میکروپلاستیک‌ها توسط غشاها به دلیل فعل و انفعالات قوی که می‌تواند باعث نگرانی باشد، از آنجایی که عملکرد غشاها تحت‌تاثیر قرار می‌گیرد، حذف می‌شوند (Filipe, et al. 2010).

تاثیر فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب بر سرنوشت نانو/میکروپلاستیک‌ها

همانطور که توسط مطالعات قبلی نشان داده شده است، ذرات پلاستیکی مانند نانوپلاستیک‌ها و میکروپلاستیک‌ها مستعد خرد شدن به دلیل سطوح ضعیف هستند که می‌توانند تحت تنش مکانیکی یا شیمیایی شکسته شوند. اگرچه خردشدن نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها همیشه در اقیانوس‌ها یا آب‌های شیرین به دلیل تابش اشعه ماوراء بنفش و امواج طبیعی مورد توجه قرار گرفته است، گزارش‌های کمی بر خردشدن نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها توسط تنش‌های مصنوعی مانند آن‌هایی که در تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب استفاده می‌شوند، متمرکز شده‌اند. اختلاط، پمپاژ یا هوادهی معمولاً در تصفیه‌خانه‌ها استفاده می‌شود و نیروهای تنشی را تشکیل می‌دهد که توسط نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب تجربه می‌کنند. علاوه بر این، استفاده از فرآیندهای تصفیه شامل مواد سخت‌تر از نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها مانند فیلتراسیون شنی می‌تواند باعث خرد شدن نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها شود. سختی نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها ده برابر کوچکتر از سختی دانه‌های بستر سیلیس است. بنابراین، نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها که فیلتر می‌شوند، احتمالاً توسط دانه‌های سیلیس خرد می‌شوند. بنابراین، درست است که فرض کنیم نیروهای برشی به خرد شدن نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب، مشابه نیروهای مکانیکی طبیعی، کمک می‌کنند. در نتیجه، نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها را می‌توان خرد کرد و توده‌های نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها را می‌توان پراکنده کرد. یک محیط آشفته ثابت به عنوان یک تصفیه‌خانه‌ آب و فاضلاب می‌تواند نانوپلاستیک‌ها را از هم جدا نگه دارد، راه آنها را از طریق فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب تسهیل کرده و به انتشار آنها در محیط کمک کند (Kotsilkova, et al. 2018).

چندین مطالعه تاثیر نیروهای برشی متفاوت را بر ذرات مشابه میکروپلاستیک‌ها گزارش کرده‌اند. استفاده از یک پروانه مکانیکی و یک شیر توپی برای پردازش پروتئین آب پنیر باعث شکستن ذرات آب پنیر از 29 تا 9 میلی‌متر شد، آگلومراهای پلی‌سولفون با اندازه 10 میلی‌متر با تابش اولتراسونیک به ذرات منفرد 2 میلی‌متری پراکنده شدند و آگلومراهای 400 نانومتری با فشار به ذرات 40 نانومتری خرد و پراکنده شدند. دانش در مورد خرد شدن نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب وجود ندارد، با این حال چندین مدل برای پیش‌بینی اثر نیروهای برشی صنعتی بر ذرات نانو و میکرو ایجاد شده‌اند. چگالی انرژی داده شده توسط نیروهای برشی با اندازه حاصل از ذرات مرتبط است، که نشان‌دهنده تمایل نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها به خرد شدن در حین حرکتدر تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب است (Abdelrasoul, et al. 2013).

یک مطالعه اخیرا نشان داد که خرد شدن میکروپلاستیک‌ها به نانوپلاستیک‌ها توسط فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب باعث افزایش تعداد نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب می‌شود. علاوه بر این، مطالعه دیگری پیش‌بینی کرد که تا 25 درصد از نانومواد مهندسی شده مانند سیلیس، آلومینا و نانولوله‌های کربنی که وارد تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب می‌شوند در پساب‌های ثانویه وجود دارند. اعمال این داده‌ها برای نانوپلاستیک‌هایی که وارد تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب می‌شوند، افزایش نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در پساب را تا 200% نشان می‌دهد (جدول 1). این نتیجه به طور قابل توجهی بالاتر از موارد گزارش شده در کارهای قبلی است که پیش‌بینی می‌کرد تنها 14 درصد میکروپلاستیک‌ها در پساب‌ها رها می‌شوند، بدون اینکه نانوپلاستیک‌ها محاسبه شوند. با در نظر گرفتن خرد شدن میکروپلاستیک‌ها به نانوپلاستیک‌ها علاوه بر راندمان حذف نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها توسط تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب، تعداد کل نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها را می‌توان در مقایسه با پساب دو برابر کرد. از این رو، تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب می‌توانند با عمل به عنوان یک مسیر و منبعی برای میکروپلاستیک‌ها و نانوپلاستیک‌ها در محیط، تأثیر قابل توجهی بر آلودگی میکروپلاستیک داشته باشند (Murphy, et al. 2016).

جدول ۱. تعیین کمیت نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در پساب یک تصفیه‌خانه فاضلاب

علاوه بر خردشدن میکروپلاستیک‌ها به نانوپلاستیک‌ها، فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب می‌توانند خواص فیزیکی و شیمیایی نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها را تغییر دهند و بر تعامل بین نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها و سایر آلاینده‌های موجود در آب تأثیر بگذارند. یک مطالعه اخیر نشان داد که مواد آلی در فرآیند لجن‌فعال یک تصفیه‌خانه‌های فاضلاب می‌تواند سطح میکروپلاستیک‌ها را اکسید کرده و زبری و تخلخل آن‌ها را افزایش دهد، که منجر به افزایش ده برابری در جذب آنها به سایر عناصر مانند آلاینده‌های فلزی می‌شود. بسترهای پلاستیکی به عنوان زیستگاه میکروبی برای میکروارگانیسم‌های آبی در نظر گرفته می‌شوند که میکروپلاستیک‌ها را با ایجاد یک بیوفیلم بر روی سطح خود کلونی می‌کنند. این بیوفیلم می‌تواند خواص سطح میکروپلاستیک‌ها را با کاهش آبگریزی و افزایش زبری آنها تغییر دهد. نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها موجود در آب‌های دریایی در حال حاضر به‌عنوان ناقلی برای آلاینده‌های سمی در نظر گرفته می‌شوند، اما مسیر نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها از طریق تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب می‌تواند این تمایل جذب و افزایش انتشار آلاینده‌ها در محیط را افزایش دهد. علاوه بر این، مرحله ضدعفونی انجام شده در تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب می‌تواند باعث القا و افزایش تخریب نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها شود. گندزدایی را می‌توان با استفاده از ازن، تابش اشعه ماورای بنفش یا کلرزنی انجام داد که می‌تواند برای یکپارچگی مواد نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها مضر باشد. شناخته شده است که تابش اشعه ماورای بنفش باعث تخریب پلیمرها و در نتیجه تشکیل گروه‌های کربوکسیلیک و بریدگی زنجیره پلیمری می‌شود. علاوه بر این، مطالعات قبلی گزارش داده‌اند که قرار گرفتن در معرض مواد پلی اتیلن با ازن و کلر منجر به تشکیل گروه‌های کربونیل در سطح پلاستیک و در نتیجه تخریب پلاستیک و نشت محصولات مبتنی بر کلر شده است. از این رو، فرآیند گندزدایی می‌تواند بر خواص سطحی و یکپارچگی نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها تأثیر بگذارد و تعامل آن‌ها با سایر موجودات موجود در آب را تغییر دهد (Cai, et al. 2018).

تاثیر نانو/میکروپلاستیک بر عملکرد فرآیندهای تصفیه آب

فعل و انفعالات بین نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها و تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب متقابل است و نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها همچنین می‌تواند تاثیر مخربی بر تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب داشته باشد. اگرچه فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب مشابه هستند، اما تعامل آنها با نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها به دلیل کیفیت آب و نوع واحدهای تصفیه می تواند متفاوت باشد (شکل 1).

شکل 1. سرنوشت نانو/میکروپلاستیک در تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب

کیفیت پایین فاضلاب می‌تواند تعاملات بین نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها و فرآیندهای فاضلاب را به دلیل وجود سایر آلاینده‌ها تغییر دهد و تاثیر نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها بر روی واحدهای تصفیه را کاهش دهد. علاوه بر این، فرآیندهای فیزیکی مورد استفاده برای تصفیه آب می‌توانند نسبت به فرآیندهای بیولوژیکی تصفیه فاضلاب نسبت به نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها متفاوت عمل کنند. عملکرد فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب زمانی که نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب وجود دارند به خطر می‌افتد (Zhang, et al. 2017).

نتیجه ­گیری

وجود نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب ها باعث نگرانی در مورد کیفیت آب تصفیه شده می‌شود، نه تنها به این دلیل که نانوپلاستیک های بیشتری می‌توانند آزاد شوند، بلکه به این دلیل که عملکرد فناوری‌های فیلتراسیون غشایی کاهش می‌یابد.

تمایل نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها به خرد شدن مطرح شده است، با این حال مطالعات سیستماتیک برای ارزیابی مکانیسم و نرخ آن در آب برای ارزیابی سهم تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب در آلودگی نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها مورد نیاز است. ترکیبی از تکنیک‌های مناسب برای توصیف با دقت تأثیر فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب بر خرد شدن نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها مورد نیاز است.

اطلاعاتی در مورد تأثیر نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها بر عملکرد فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب و نگرانی برای هزینه‌های عملیاتی واحدهای تصفیه وجود ندارد. نه تنها فرآیندها کارایی کمتری دارند، بلکه کیفیت آب تصفیه شده تحت تأثیر حضور نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها قرار می‌گیرد. پیش‌تصفیه‌هایی که تعداد نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها در آب را محدود می‌کنند، مانند تهنشینی، انعقاد و تجزیه زیستی در حال حاضر وجود دارد، اما باید با نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها سازگار شود تا از فرآیندها محافظت شود. همچنین می‌توان اصلاحات داخلی را روی این فرآیندها انجام داد تا از هرگونه حادثه جلوگیری شود و کیفیت آب در حد استانداردهای لازم حفظ شود. اصلاح سطح غشاء، عوامل انعقاد بهینه و میکروارگانیسم‌های مقاوم را می‌توان اجرا کرد تا اطمینان حاصل شود که عملکرد فرآیندهای تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب تحت تأثیر نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها قرار نمی‌گیرد.

اگرچه مقدار قابل توجهی کار روی آلودگی نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها انجام شده است، آگاهی در مورد تعاملات بین نانوپلاستیک و میکروپلاستیک‌ها و تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب باید افزایش یابد زیرا این مسئله تهدیدی برای اکوسیستم‌های آبی و سلامت انسان می‌باشد.

منشاء و تاثیر نانو و میکروپلاستیک‌ها در فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب

فرشاد گلبابائی کوتنائی^1،*، ناصر مهردادی¹، محمدجواد امیری²

1- گروه مهندسی محیط‌زیست، دانشکده محیط‌زیست، دانشگاه تهران

2- گروه برنامه‌ریزی مدیریت آموزش محیط‌زیست، دانشکده محیط‌زیست، دانشگاه تهران

^* Email: farshadgolbabaei@yahoo.com

منابع

Abdelrasoul, A., Doan, H., Lohi, A., 2013a. Mass Transfer-Advances in Sustainable Energy and Environment Oriented Numerical Modeling. InTech.

Brandt, M.J., Johnson, K.M., Elphinston, A.J., Ratnayaka, D.D., 2017. Twort's Water Supply, seventh ed. Butterworth-Heinemann, Boston, pp. 498e506.

Cai, L., Wang, J., Peng, J., Wu, Z., Tan, X., 2018. Observation of the degradation of three types of plastic pellets exposed to UV irradiation in three different environments. Sci. Total Environ. 628e629, 740e747.

Estahbanati, S., Fahrenfeld, N.L., 2016. Influence of wastewater treatment plant discharges on microplastic concentrations in surface water. Chemosphere 162 (Suppl. C), 277e284.

Filipe, V., Hawe, A., Jiskoot, W., 2010. Critical evaluation of nanoparticle tracking analysis (NTA) by NanoSight for the measurement of nanoparticles and protein aggregates. Pharmaceut. Res. 27 (5), 796e810.

Kotsilkova, R., Borovanska, I., Todorov, P., Ivanov, E., Menseidov, D., Chakraborty, S., Bhattacharjee, C., 2018. Tensile and surface mechanical properties of polyethersulphone (PES) and polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes. J. Theor.Appl. Mech. 48 (3), 85e99.

Lai, C.Y., Groth, A., Gray, S., Duke, M., 2014. Enhanced abrasion resistant PVDF/nanoclay hollow fibre composite membranes for water treatment. J. Membr. Sci. 449, 146e157.

Murphy, F., Ewins, C., Carbonnier, F., Quinn, B., 2016. Wastewater treatment works (WwTW) as a source of microplastics in the aquatic environment. Environ. Sci.Technol. 50 (11), 5800e5808.

Zhang, C., Chen, X., Wang, J., Tan, L., 2017. Toxic effects of microplastic on marine microalgae Skeletonema costatum: interactions between microplastic and algae. Environ. Pollut. 220, 1282e1288.