Presencia y evolución de microplásticos en estaciones depuradoras de aguas residuales de la Región de Murcia: propuesta de las mejores tecnologías disponibles para una emisión cero

Abstract

[SPA] Las cifras mundiales de producción anual de plástico han sufrido un incremento del 2,5% durante el periodo 2018/19, siendo el sector del embalaje y empaquetado el mayor usuario de este producto. Estas cifras reflejan que los plásticos forman parte de nuestro día a día, aportando comodidad a nuestra forma de vida. Asimismo, y debido a la inadecuada gestión de residuos plásticos, a la lenta tasa de degradación de los mismos y al uso descontrolado de estos por parte del consumidor, los plásticos se han convertido en uno de los principales problemas medioambientales; problema que se agrava por la degradación de éstos en micropartículas, conocidas como microplásticos (MP). Los MP hacen referencia a plásticos con un tamaño menor de 5 mm; pudiéndose clasificar en MP primarios, fabricados intencionadamente con ese tamaño, y MP secundarios, procedentes de la continua fragmentación de plásticos de tamaño superior. Estos contaminantes emergentes se están encontrando en diversos entornos y su ingestión por los diferentes eslabones de la cadena trófica puede desencadenar problemas físicos y toxicológicos de gran importancia. Las plantas de tratamiento de aguas residuales, definidas como un conjunto de procesos físicos, biológicos y químicos, encargados de lograr un efluente de gran calidad, han sido consideradas fuente y sumidero de MP; siendo investigada, sobre todo en los últimos años, la concentración y la caracterización de estos en las aguas residuales. La presente Tesis Doctoral analiza la presencia y evolución de microplásticos en las EDAR Cabezo Beaza, Águilas, Mar Menor Sur y La Aljorra, sitas en la Región de Murcia. También, pretende añadir conocimiento sobre la eficiencia, en cuanto a la descarga de estos, de las distintas tecnologías presentes en las mismas. Para ello, las muestras de aguas residuales se filtraron al vacío y, cuando lo requerían, previamente separadas por densidad con una disolución de NaCl. La identificación se llevó a cabo con un estereomicroscopio trinocular y espectrometría infrarroja con transformada de Fourier. El porcentaje de retención de cada uno de los tratamientos estudiados fue de: 89,18% para el sistema de fangos activados convencional, 79,01% para el biorreactor de membranas, 75,49% para la filtración rápida de arena, 70,12% para el sistema de fangos activados con aireación prolongada y un 64,25% para el sistema de fangos activados con aireación prolongada, tipo carrusel. Pese a esto, estas EDAR son capaces de emitir entre 0,88·107 y 3,18·107 MP al día. La concentración media de MP fue superior en otoño, época señalada por fuertes lluvias en la Región, que favorecería el arrastre de MP hacia las depuradoras. Todas las tecnologías redujeron en más de un 90% las formas particuladas de los MP, pero no fibras, cuya retención mostró mayor dificultad. En cuanto al tamaño y al color, el 68,24% de los MP no superó el milímetro; y los tonos claros formados por el blanco y el beige (47,64%) y conocidos por favorecer la ingestión de MP, junto con el azul (30,45%) resultaron ser los más abundantes. El LDPE fue el polímero más encontrado en las EDAR (60,17%) debido, probablemente, a la actividad agrícola que las rodea y al uso incontrolado de las bolsas de plástico de un solo uso. A este le siguen el HDPE (11,15%) y el PP (10,62%), formando todos ellos parte de los plásticos más demandados en el mercado europeo. Finalmente, se analizaron las relaciones entre los MP y los parámetros físico-químicos de los procesos de depuración en la EDAR ECB, destacando que altos valores de sólidos en suspensión podrían favorecer la formación de heteroagregados con los MP, que sean menos solubles y de mayor velocidad de sedimentación. Además, se observó que valores de pH ácidos propician un tamaño menor del MP.

[ENG] The global figures for annual plastic production have increased by 2.5% during the 2018/19 period, with packaging sector being the largest consumer of this product. These figures reflect that plastics are part of our daily life, providing comfort to our way of life. Likewise, and due to an inadequate management of plastic waste, a slow degradation rate and an uncontrolled use of plastic by general consumers, it has become one of the main environmental problems, aggravated by their degradation into microparticles, known as microplastics (MP). MP refer to plastics with a size smaller than 5 mm; being able to be classified in primary MP, intentionally released with that size, and secondary MP, coming from a continuous fragmentation of bigger plastics. These emerging pollutants have been isolated in different environments, and they accumulate through the food web, posing physical and toxicological problems. Wastewater treatment plants (WWTP), defined as a set of physical, biological and chemical processes, in charge of achieving a high quality effluent, have been considered a source and sink of MP; the concentration and characterization of these in wastewater being investigated, especially in recent years. This PhD analyzes the presence and evolution of microplastics in the WWTP “Cabezo Beaza”, “Águilas”, “Mar Menor Sur” and “La Aljorra” WWTPs, located in the Region of Murcia (Spain). It also aims to add knowledge about the removal efficiency of MP by different sewage treatment technologies. Wastewater samples were vacuum filtered and, when required, previously treated with a salt-saturated NaCl solution. Identification was carried out with a trinocular stereomicroscope and Fourier transform infrared spectrometry. The removal percentages were 89.18% for conventional activated sludge system, 79.01% for membrane bioreactor, 75.49% for rapid sand filtration, 70.12 % for activated sludge system with prolonged aeration, and 64.25% for a Carrousel oxidation ditch system. The daily emission factor ranged from 0.88 x 107 to 3.18 x 107 MP/d. The average MP concentration was higher in Autumn than in any other season, mainly because episodes of heavy rain during that season. All treatment technologies properly removed particulate forms of MP over 90%, although fibers were not that retained. Regarding size and color, 68.24% of MP did not exceed one millimeter, and white and beige MP (47.64%) were mainly isolated, together with blue ones (30.45%). The highest average concentration was by far due to low density polyethylene (60.17%), probably as a result of the proximity of WWTPs to crops within agriculture greenhouses, together with an excess use of single-use plastic bags. High density polyethylene (11.15%) and polypropylene (10.62%) were also isolated, both resin types demanded by plastic converters in Europe. Relationships between MP and the physicochemical parameters in wastewater samples from “Cabezo Beaza” WWTP were analyzed, highlighting that high suspended solids concentrations could enhance the formation of hetero-aggregates with MP, less soluble and of a higher sedimentation rate. In addition, low pH values lead to a statistically significant decrease on MP size.