Mikroplastik in Abwässern der Papierindustrie : Entwicklung und Validierung analytischer Methoden sowie Untersuchung von Quellen, Abscheideleistung und Emissionen

In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden zur Analyse von Mikroplastik in industriellem Abwasser mittels µ-Ramanspektroskopie weiterentwickelt und validiert. Das resultierende Analyseprotokoll wurde angewandt, um weltweit erstmalig Abwasser von Papierfabriken auf Mikroplastik zu untersuchen. Die Schwerpunkte in der Methodenoptimierung lagen auf der Entwicklung einer Methode zur Dichtetrennung mittels Natriumpolywolframat zur Abscheidung anorganischer Matrixbestandteile aus Abwasserproben und eines Verfahrens zur teilautomatisierten Ramanspektrenauswertung mittels Machine Learning. Das optimierte Analyseverfahren wurde inklusive der Probe-nahme mit Wiederfindungsraten validiert. Trotz hoher Wiederfindungsraten einzelner Verfahrensschritte der Probenaufbereitung und der Detektion, liegt die Wiederfindungsrate für Mikroplastikpartikel der ökotoxikologisch relevantesten untersuchten Größenfraktion (20 – 50 µm, getestet mit PolypropylenMikroplastikpartikeln) für das gesamte Analyseverfahren bei 9 ± 8 %. Die Wiederfindungsrate nimmt mit dem Partikeldurchmesser zu und liegt für die Größenklasse 50 – 100 µm bei 59 ± 18 % und für die Größenklasseklasse 100 – 140 µm bei 61 ± 10 %. Diese Ergebnisse sprechen für eine systematische Unterschätzung von Mikroplastikemissionen aus Kläranlagen in bisher durchgeführten Untersuchungen. Die Mikroplastikemissionen von zwölf direkteinleitenden Papierfabrikkläranlagen in Deutschland wurden bestimmt. Daneben wurden die Abscheideleistung der Kläranlagen ermittelt und Quellen des Mikroplastiks im Abwasser identifiziert. Die Abscheideleistung von Mikroplastik in den mechanisch-biologischen Kläranlagen der Papierfabriken liegt bei über 99 %. Das Mikroplastik wird in der mechanischen Reinigung und durch das Belebtschlammverfahren aus dem Abwasser entfernt und reichert sich im Klärschlamm an. Das Mikroplastik wird bei der thermischen Verwertung des Schlamms mitverbrannt. Eine weitere Reduktion der Mikroplastikkonzentrationen kann durch Verfahren zur weitergehenden Abwasserreinigung erreicht werden, bspw. Filtrationsverfahren. Die häufigsten Polymere, die als Mikroplastik im Abwasser von Papierfabriken gefunden wurden, sind Polyethylen und Polystyrol, gefolgt von Polypropylen, Polyethylenterephthalat und Polylactid (inklusive ihrer Co-Polymere). Quellen für das Mikroplastik sind Kunststoffe im Altpapier (u.a. Verbundverpackungen, Beschichtungen, Fehlwürfe), Streichfarben zur Veredelung von graphischen und Spezialpapieren sowie Polymerfasern und -partikel, die in Spezialpapieren zur Erreichung technischer Eigenschaften enthalten sind. Daneben wurden MBBR (moving bed biofilm reactor), in denen Aufwuchskörper aus Polyethylen eingesetzt werden, als relevante Quelle für Mikroplastik im Abwasser identifiziert. MBBR werden auch in anderen Industriezweigen zur Abwasserreinigung eingesetzt. Die Emissionen von Papierfabrikkläranlagen liegen in vergleichbaren Größenordnungen wie die aus kommunalen oder industriellen Kläranlagen von Industrieparks. Aufgrund der geringen Anzahl an Papierfabrikkläranlagen im Vergleich zu kommunalen Kläranlagen und gegenüber anderen Quellen, wie Littering oder Mischwasserentlastungsereignissen, kann der Anteil der Papierindustrie an den Gesamtmikroplastikemissionen in die aquatische Umwelt als gering eingeschätzt werden. Lokal können Papierfabriken die Mikroplastikkonzentration vor allem in Vorflutern mit geringem Abfluss wesentlich erhöhen.