2025. June 27.

Vízkezelés memránszűrőkkel: műanyaggal a műanyagok ellen

A globális műanyag szennyezés korunk egyik társadalmi- és környezeti problémája. Az évente bővülő műanyag termeléssel (414 millió tonna 2023-ban) a keletkező hulladék egy része a környezetben halmozódik fel, terhelve a szárazföldi és vízi ökoszisztémát. A műanyag tördelődésével keletkező megszámlálhatatlan mennyiségű, a környezetben nem lebomló, mikroméretű alkotó kis tömege miatt távolra kerülhet a kibocsátó pontforrástól, ezért ezekre világméretű, az életünk minden pontjában fellelhető szennyezőanyagként kell tekinteni. A sós- és édesvizeinkben növekvő mikroműanyag koncentráció egyre nagyobb társadalmi aggodalmat kelt. A mikroműanyagok – amely alatt az 5 mm-nél kisebb méretű műanyagdarabokat értjük – közvetlenül az ipari, a mezőgazdasági, a halászati, a lakossági tevékenységek és a turizmus összességéből kerülnek ki a környezetbe. Keletkezésük három csoportra bontható:

1. Elsődleges úton, ipari termelés során képződő mikroműanyagok és mikrogyöngyök a drogériai termékekben (mosó- és tisztítószer, kozmetikai és tisztálkodási szerek).
2. Műanyag- és gumitermékek (szintetikus szálas kelmék, mezőgazdasági fóliák, szigetelések, sportpályák, cipőtalp és festékek) kopásából és sérüléseiből felszabaduló szálak, törmelékek.
3. Nem megfelelő hulladékkezelésből és szemetelésből a természetbe kerülő műanyagokra ható fizikai- és kémiai behatások (súrlódások, termikus degradációs, UV-sugárzás) miatti aprózódás.

Indirekt módon, pontforrásként maguk a szennyvíztisztító telepek is jelentős mikroműanyag kibocsátók [1], ugyanis a felsorolt tevékenységek miatt nagy mennyiségű mikroműanyag kerül a szennyvízhálózatba.

A mikroműanyag összetétele, mérete és alakja igen változatos. Alak szerint megkülönböztethetők: (1) az egyik dimenziójában hoszszabb szálasanyagok, (2) gömbszerű granulátumok, (3) fóliák, lemezek, (4) habosított anyagok és (5) szabálytalan alakú törmelékek (1. ábra), amelyek aránya és anyagi minősége függ a szennyvíz forrásától és az időjárási paraméterektől. Habár a műanyagok alapvetően inert anyagok, a nemzetközi irodalom potenciális veszélyforrásként tekint a környezetbe kerülő mikroműanyagokra. Egyrészt, az alapanyag számos adalékanyagot tartalmazhat; másrészt, nagy fajlagos felületük révén képesek vírusokat, baktériumokat és mérgező anyagokat adszorbeálni és szállítani, amelyek a szennyvízben ugyancsak nagyobb koncentrációjúak. Méretükből adódóan könnyen a táplálékláncba kerülhetnek, az élő szervezetben való felhalmozódásuk krónikus gyulladást okozhat.

A HAZAI FELSZÍNI VIZEK MIKROMŰANYAG SZENNYEZETTSÉGE

Számos nemzetközi mérés mellett egyre több adat érhető el a
hazai folyó- és állóvizeink szennyezettségi állapotáról (1. táblázat). Leggyakrabban polietilén (PE) és polipropilén (PP) részecskéket, különböző poliészter (PES) szálmaradványokat, polietiléntereftalát (PET) törmeléket, gumiabroncs és festékmaradványokat (alkidok) azonosítottak, mint mikroműanyagok. Kivételt jelentett a Rába folyó vizsgálata, ahol döntően az ipari termelésből származó, speciális polimereket mutattak ki.

 

A mikroműanyag koncentráció növekedést a Duna vizében [8] nem lehet csak a városból besodródó műanyagokkal magyarázni. A budapesti agglomerációban működő szennyvíztelepi minták értékelésekor rámutattak, hogy a létesítmények méretétől és műszaki színvonalától függően a kezelt víz jelentős mennyiségű, 52 db/m3 (tartomány: 12-85 db/m3) mikroműanyagot tartalmaz, amely így hozzájárul a Duna műanyag szennyezettségéhez [9]. A fenti adatok alapján a Fekete-tengerbe szállított, Duna általi mikroműanyag mennyiséget 4,5 tonnára becsülik naponta.

A LEGNAGYOBB MIKROMŰANYAG KIBOCSÁTÓK A SZENNYVÍZTISZTÍTÓ TELEPEK

A szennyvíztisztító telepeket a szerves és szervetlen anyagok vízből való eltávolítására tervezték, hogy megakadályozzák a patogének kibocsátását a befogadó vizekbe; mégis a mikroműanyagok nagyon jelentős részét fogadják. A beáramló szennyvizek mikroműanyag tartalma szignifikánsabban nagyobb – a magyarországi mintáknál 103 nagyságrend [8] – a felszíni vizekhez képest.

Ennek egyik fő motorja a lakossági tevékenység: a szintetikus PES és poliamid (PA) szálakat tartalmazó kelmék mosása és szárítása jelentős mennyiségű elemi szálat, a kozmetikai- és tisztálkodási szerek használata pedig mikroméretű poliolefin gyöngyöt enged a szennyvízhálózatba. A csapadékvízzel a városi szenynyeződés (pl. a műanyag- és gumitermékek kopása, tördelődött csomagolási anyagok, útburkolati jelekből felszabaduló pigmentanyagok) is bemosódik a csatornahálózatba (2. ábra).

 

A szennyvíztisztító telepekre befutó mikro- és makroműanyagokat különböző fizikai, kémiai és biológiai behatások érik, így méretük tovább csökken a vízkezelési folyamat alatt. A fizikai behatások közé tartoznak a mechnanikai igénybevételek, amelyeknek a szennyvízcsatornában való áramláskor, átszivattyúzásnál, a víz keverésénél, illetve a fém szűrőrácson történő áthaladáskor a műanyagok ki vannak téve. A szennyvízben áramló homok és más szilárd anyagok szintén hozzájárulnak a műanyagok aprózódásához. A kémai hatások közül a legjelentősebb az oxidáció, amely döntően a fertőtlenítési fázisban (pl. szennyvíz klórozása, ózonozása) lép fel, gyengítve a műanyag szerkezetét, elősegítve a fragmentálódást. A hidrolízis bizonyos műanyagoknál (pl. PET, PA, gumi) ugyancsak jelentős szerepet játszhat, a műanyagok degradációjához ezen kívül még az UV-B sugárzás járulhat hozzá nyitott tározók esetén. A biológiai hatások a műanyagra nem számottevők, azonban a műtárgyakban a mikroműanyag felületén képződő biofilmek segíthetik az anyag leülepedését és eltávolítását a kezelt vízből.

A konvencionális, eleveniszapos szennyvíztelep működtetésekor fizikai, kémiai és biológiai folyamatokat ötvözve, több lépcsőben valósítják meg a víztisztítását. Az előtiszítási fázisban mechanikai eljárásokkal (rácsos szűrés, szita, homok- és zsírfogó, előülepítés), méret- és sűrűségkülönbség alapján távolítják el a durva úszó- és lebegőanyagokat a belépő szennyvízből, ezzel párhuzamosan a nagyobb szemcséjű mikroműanyagok 35-58%-át. Az elsődleges tisztításnál a szennyvízben lévő kolloid méretű, szuszpendált szilárd anyagok a flokkuláció során pelyhekké aggregálódnak és eltávolíthatók. A derítési folyamat ismételten jelentős mennyiségű, további 25-40% mikroműanyagot képes felfogni. A másodlagos, biológiai szennyvízkezelésnél mikroorganizmusokkal zajlik a szerves anyagok lebontása és a denitrifikáció aerob és anaerob környezetben, amelyet az utóülepítés követ. A folyamat végére a mikroműanyag 90-95%-a eltávolítható a kezelt vízből, amely a harmadlagos tisztításnál homokszűrőkkel vagy aktív szén adagoásával akár 95-99%-ig növelhető [1, 10-13]. A szűrési ráta nagy, mégis a szennyvíztelepekről kiáramló kezelt víz mikroműanyag tartalma több tízszerese (103-104 db/m3 mikroműanyag) a felszíni folyóvizek értékeinél. Egy nagyobb szennyvíztisztító telep naponta százezer köbméter nagyságrendű szennyvizet kezel (az észak-pesti telep 150-160 ezer m3 tisztított vizet enged a Dunába), ami a tisztítási hatékonyságtól függően napi 1-10 kg össztömegű, döntően 500 µm-nél kisebb méretű, darabszámban 107-108 nagyságrendű mikroműanyag terhelésnek feleltethető meg [1, 10-13]. A szennyvíztisztító telepek a világ legnagyobb mikroműanyag kibocsátóinak tekinthetők, különösen, ha figyelembe vesszük, hogy a kezelt vízből eltávolított szemcsék az iszapban dúsulnak fel, amelyet gyakran mezőgazdasági trágyázásra használnak.

MEMBRÁN BIOREAKTOR (MBR) SZENNYVÍZTELEPEK: MŰANYAG MEMBRÁNSZŰRŐKKEL A MIKROMŰANYAG ELLEN

A mikroműanyagok szennyvízből való kiszűrési hatékonysága tovább növelhető a nagyon kis pórusmérettel rendelkező membránszűrőkkel. Amíg a konvencionális telepek a szilárd komponensek eltávolításához az ülepítésre támaszkodnak, addig a membrán bioreaktoros szennyvíztisztító telepek (MBR) a biológiai, eleveniszapos tisztítás és a belemerített membránok integrált rendszerére épülnek (3. ábra). Ebben a membrán fizikai, méretkizáráson alapuló ultraszűrőnek (ultrafiltration, UF) tekinthető és felelős a lebegőanyag nagy hatékonyságú visszatartásáért. Az UF membránfalon fellépő nyomáskülönbség hajtja át a pórusokon a szűrletet, míg a nagyobb részecskék és a szennyeződések a bioreaktorba merített membránfalon maradnak. A szennyvízkezelésnél használt UF membránszűrők átlagos pórusmérete 0,01-0,05 µm, a fő alapanyaguk a poliéter-szulfon (PES), a cellulóz-acetát (CA) vagy a polivinilidén-fluorid (PVDF) polimer. Ezek közül a PVDF alapú membránok terjedtek el, mivel kiemelkedően jó a mechanikai és kémiai ellenállásuk, ami biztosítja a membrán hosszú élettartamát és a különböző tisztítási eljárásokkal szembeni ellenálló képességét.

Az elmúlt években a derítéses, ülepítéses technológiák helyett egyre inkább a membránszűrésen alapuló vízkezelést részesítik előnyben, amelynek oka a reaktortérben megengedett nagyobb legebőanyag tartalom; a kolloidok, baktériumok, vírusok és egyéb szennyezők hatékonyabb eltávolítása; ezáltal a befogadó közegbe engedett víz egyenletesebb és jobb minőségű, illetve kevésbé zavaros. Ez a konfiguráció lehetővé teszi az utóülepítők elhagyását, így kisebb alapterületű telepek üzemeltethetők, azonos szennyvízszűrő kapacitás és össz üzemeltetési költség mellett. Hátránya, hogy az MBR telep teljes energiafelhasználása nagyobb és a membránszálak eltömődése és sérülései miatt szükséges a membránkazetták rendszeres vegyszeres, melegvizes tiszítása és időszakos cseréje a gyártói minőségtől és az üzemeltetési körülményektől függően. A Veolia ZeeWeed® ZW500 termékcsaládja bizonyítottan hosszú, 12-15 év feletti életciklussal rendelkezik, de vannak szennyvíztelepek, ahol a membránszűrőink több mint 20 éve működnek.

Az MBR technológia kiemelkedő szűrési hatékonysága a mikroműanyag elválasztásában is megmutatkozik. Egea-Corbacho és társai [15] összehasonlították Søholt (Silkeborg, Dánia) városi szennyvízkezelő telepének és a Veolia ZeeWeed® ZW500 típusú UF membránjának (4. ábra) mikroműanyag eltávolítási hatékonyságát. A szennyvíztelep konvencionális bioreaktorral rendelkezik, amelyet utóülepítő és homokszűrő ágy, mint harmadlagos tisztítási lépés követ, így szűrés szempontjából hatékony. Mindkét vízkezelési eljárásnál a szennyvíztisztító telepre belépő vízmintát használták, amelyben 507±70 db mikroműanyag részecskét számoltak össze egységnyi térfogatra. A mikroműanyag koncentárciója az utóülepítési fázis után 17,4 db-ra csökkent (96,6%-os eltávolítás), a homokszűrőn való átvezetéssel a szűrési hatékonyság 99,4%-ra (2.93±1.50 db távozó részecske) nőtt. A ZeeWeed® ZW500 típusú membránszűrő rendszert közvetlenül az elsődleges tisztítási fázisból nyert nyersvízzel táplálták, az UF membránszálakkal egy lépésben sikerült a kilépő műanyagszemcsék számát közel a felére csökkenteni (1,58±1,08 db részecske), a konvencionális eljáráshoz képest még nagyobb, 99,7%-os eltávolítási hatásfokot elérve. További kutatások [11, 12, 15] is hasonló, 99,4-99,9%-os mikroműanyag kiszűrési hatékonyságot állapítottak meg az MBR rendszereknél, amely értékek rendre nagyobbak voltak a harmadlagos tisztítási fázissal is rendelkező konvencionális telepek eredményeinél.

Habár az előbbiekben szennyvizes példán keresztül mutattuk be az MBR rendszerek működését, az elérendő még nagyobb szűrési potenciál az ivóvíz-ellátásnál kulcskérdés. Magyarország ivóvízhálózata 95%-ban a felszín alatti, védett rétegekből származó vízbázisra, a jelentős karsztvízkészletre és a jó minőségű, természetes parti kavicsszűrésű ivóvízre támaszkodik. A fennmaradó 5%-ban azonban felszíni vizekből kell előállítani a szabványoknak megfelelő ivóvizet. A 24 000 m3/nap kapacitással működő lázbérci vízmű Magyarország legnagyobb membrántechnológiával üzemelő vízműve, amely – a Veolia oroszlányi üzemében gyártott ZeeWeed® membránok alkalmazásával – közvetlenül a felduzzasztott Bán-patak vizéből állít elő kiváló minőségű ivóvizet 150 000 fogyasztó számára Kazincbarcika és Ózd térségében.

ÖSSZEFOGLALÁS

A környezetben dúsuló mikroműanyagok növekvő terhelést jelentenek a vízi ökológiára. A műanyagokkal körülvett ember napi tevékenysége egyre nagyobb műanyag koncentrációjú szennyvízzel terheli a szennyvíztisztító telepeket. A konvencionális telepeknél is aránylag nagyfokú (~95%) műanyag szennyezés távolítható el, amely további szűréssel kiegészítve 98-99%-ra növelhető, dacára annak, hogy a vízkezelésnél a műanyagok mérete tovább aprózódik. A többlépéses vízkezelés azonban nagyobb alapterületű telepeket igényel és növekednek a beruházási költségek. A membrán bioreaktoros szennyvíztisztító üzemekben a műanyagok kiszűrési hatásfoka tovább növelhető, a membránszűrők pórusméretétől és minőségétől függően 99,4-99,9%-os hatékonyságot elérve. A rendre nagyobb hatékonyságú ultraszűrő membránokkal még a nagyon jó hatásfokú konvencionális szennyvíztisztító telepekhez képest is felére, harmadára lehet csökkenteni a tiszított víz mikroműanyag tartalmát.

DR. DOBROVSZKY KÁROLY
Veolia Water Technologies & Solutions

 

FORRÁSOK:
[1] Wu X. et al.: Water Res., 221, 118825 (2022).
[2] Bordós G. et al.: Chemosphere, 216, 110-116 (2019).
[3] Prikler B. et al.: Water, 1014 (2024).
[4] Gyalai-Korpos M.: Plastic pollution of rivers in the Danube
region. EU Duna Régió Stratégia (2019).
[5] Kékes V.: Brutális mennyiségben van jelen mikroműanyag a
Tisza vizében és üledékében. Szeged.hu (2024).
[6] Kiss T. et al.: Sci. Total Environ., 785, 147306 (2021).
[7] Vízvizsgálat a PET Kupán: biszfenol-A és mikroműanyagok a
Bodrogban. Laboratorium.hu (2024).
[8] Kittner M. et al.: ACS ES&T Water, 2, 1174-1181 (2022).
[9] Palotai Z. et al.: Report for EU SDR PA4 „Water Quality”,
Wessling Hungary (2021).
[10] Monira S. et al.: Chemosphere, 334, 139011 (2023).
[11] Iyare P.U. et al. : Sci. Water Res. Technol, 6, 2664-2675 (2020).
[12] Reddy A.S., Nair A. T. : Environ. Technol. Innov., 28, 102815
(2022).
[13] Leslie H.A. et al. : Environ. Int., 101, 133-142 (2017).
[14] Karim M.A., Mark J.L.: Int. J. Water & Wastew. Treat., 3 (2)
(2017).
[15] Egea-Corbacho A. et al.: J. Environ. Chem. Eng., 11, 109644
(2023).