Caracterización de microplásticos en aguas naturales y residuales, y su influencia y separación en procesos biológicos de depuración

Abstract

[ES] Los microplásticos (MPs) son partículas de material plástico menores que 5 mm que están siendo identificadas en el agua, tierra y aire. La presencia de estos contaminantes emergentes en el medio ambiente supone una preocupación global actualmente, ya que no se sabe con exactitud su concentración y composición debido a la falta de protocolos de cuantificación e identificación estandarizados en los diferentes medios donde se encuentran. Igualmente, se desconoce el alcance de los efectos negativos que podrían provocar en el medio ambiente. La presente tesis estudia la presencia de microplásticos en diferentes corrientes de agua residual y natural, así como en fangos de depuración generados en las estaciones depuradoras de aguas residuales. El objetivo principal de la tesis consiste en evaluar diferentes protocolos para la extracción de microplásticos contenidos en muestras con diferentes características, así como su cuantificación e identificación. Para ello, se propusieron metodologías para la extracción de microplásticos en matrices con elevada carga orgánica (licor mezcla, fango digerido anaeróbicamente y fango deshidratado) y también en efluentes residuales, así como en aguas naturales tratadas (potables) y sin tratar. Asimismo, se evaluaron los posibles efectos de la presencia de microplásticos en un proceso de depuración mediante un reactor biológico de fangos activos, así como la distribución de estas micropartículas en el fango y en el efluente depurado. Además, se contempló también la posible fragmentación de microplásticos en nanoplásticos (NPs) en un sistema de depuración de aguas residuales y, por lo tanto, también se evaluaron los posibles efectos de los nanoplásticos en la biomasa de los fangos activos. Se observó que cuanto mayor era la concentración de carga orgánica en una muestra más difícil era el proceso tanto de purificación de la muestra como de identificación de microplásticos. Por lo tanto, para las muestras de fango fue necesario aplicar protocolos más complejos de extracción de microplásticos. La peroxidación, demostró ser un tratamiento eficaz de todas las muestras estudiadas, resultando en la reducción de la materia orgánica y en la mejora de la identificación visual. En los ensayos con el reactor biológico se observó una acumulación significativa de microplásticos en el licor mezcla (fango activo) frente al efluente. Esta acumulación de microplásticos en el fango puede suponer la contaminación de los suelos agrícolas cuando estos son aplicados como fertilizantes. Con el objetivo de mitigar la contaminación de suelos agrícolas por microplasticos presentes en fangos, se propuso el uso de la técnica de ultrasonidos para la extracción de estas micropartículas presentes en el licor de mezcla. Mediante esta técnica, cantidades significativas de microplasticos fueron separadas de la matriz orgánica de los fangos, que es la que se aplica al campo. Finalmente, se estudió la presencia de microfibras en aguas naturales y potables mediante a técnica de tinción con Rojo Nilo con el objetivo de investigar la viabilibilidad y limitaciones de este método. Se observó que la emisión de fluorescencia, por parte de microfibras vírgenes y microfibras separadas de estas muestras de agua, puede manifestar diferentes comportamientos de fluorescencia lo cual podría estar relacionado con el grado de degradación de los materiales de las microfibras.

[CA] Els microplàstics (MPs) són partícules de material plàstic menors que 5 mm que estan siguent identificades en l'aigua, terra i aire. Actualment, la presència d'aquests contaminants emergents en el medi ambient suposa una preocupació global, ja que no se sap amb exactitud la seua concentració i composició a causa de la falta de protocols de quantificació i identificació estandarditzats en els diferents medis on es troben. Igualment, es desconeix l'abast dels efectes negatius que podrien provocar en el medi ambient. La present tesi estudia la presència de microplàstics en diferents corrents d'aigua residual i natural, així com en fangs de depuració generats en les estacions depuradores d'aigües residuals. L'objectiu principal de la tesi consisteix a avaluar diferents protocols per a l'extracció de microplàstics continguts en mostres amb diferents característiques, així com la seua quantificació i identificació. Per a això, es van proposar metodologies per a l'extracció de microplàstics en matrius amb elevada càrrega orgànica (licor mescla, fang digerit anaeróbicamente i fang deshidratat) i també en efluents residuals, així com en aigües naturals tractades (potables) i sense tractar. Així mateix, es van avaluar els possibles efectes de la presència de microplàstics en un procés de depuració mitjançant un reactor biològic de fangs actius, així com la distribució d'aquestes micropartícules en el fang i en l'efluent depurat. A més, es va contemplar també la possible fragmentació de microplàstics en nanoplásticos (NPs) en un sistema de depuració d'aigües residuals i, per tant, també es van avaluar els possibles efectes dels nanoplásticos en la biomassa dels fangs actius. Es va observar que com més gran era la concentració de càrrega orgànica en una mostra, més difícil era el procés tant de purificació de la mostra com d'identificació de microplàstics. Per tant, per a les mostres de fang va ser necessari aplicar protocols més complexos d'extracció de microplàstics. La peroxidació, va demostrar ser un tractament eficaç de totes les mostres estudiades, resultant en la reducció de la matèria orgànica i en la millora de la identificació visual. En els assajos amb el reactor biològic es va observar una acumulació significativa de microplàstics en el licor mescla (fang actiu) enfront de l'efluent. Aquesta acumulació de microplàstics en el fang pot suposar la contaminació dels sòls agrícoles quan aquests són aplicats com a fertilitzants. Amb l'objectiu de mitigar la contaminació de sòls agrícoles per microplàstics presents en fangs, es va proposar l'ús de la tècnica d'ultrasons per a l'extracció d'aquestes micropartícules presents en el licor de mescla. Mitjançant aquesta tècnica, quantitats significatives de microplàstics van ser separades de la matriu orgànica dels fangs, que és la que s'aplica al camp. Finalment, es va estudiar la presència de microfibres en aigües naturals i potables mitjançant a tècnica de tinció amb Rojo Nil amb l'objectiu d'investigar la viabilibilitat i limitacions d'aquest mètode. Es va observar que l'emissió de fluorescència, per part de microfibres verges i microfibres separades d'aquestes mostres d'aigua, pot manifestar diferents comportaments de fluorescència la qual cosa podria estar relacionada amb el grau de degradació dels materials de les microfibres.

[EN] Microplastics (MPs) are particles of plastic material smaller than 5 mm that are being identified in water, soil, and air. The presence of these emerging contaminants in the environment is currently a global concern since their concentration and composition are unknown exactly due to the lack of standardized quantification and identification protocols in the different media where they are found. Likewise, the extent of the negative effects that they could cause in the environment is unknown. This thesis studies the presence of microplastics in different streams of wastewater and natural water, as well as in sewage sludge generated in wastewater treatment plants. The main objective of the thesis is to evaluate different protocols for the extraction of microplastics contained in samples with different characteristics, as well as their quantification and identification. For this, methodologies were proposed for the extraction of microplastics in matrices with a high organic load (mixed liquor, anaerobically digested sludge, and dehydrated sludge) and also in wastewater, as well as in treated (potable) and untreated natural waters. Likewise, the possible effects of the presence of microplastics in a depuration process using an activated sludge biological reactor were evaluated and the distribution of these microparticles in the sludge and in the final effluent. In addition, the possible fragmentation of microplastics into nanoplastics (NPs) in a wastewater treatment system was also considered and, therefore, the possible effects of nanoplastics on the biomass of activated sludge were also evaluated. It was observed that the higher the concentration of organic load in a sample, the more difficult the process of both sample purification and microplastic identification. Therefore, for the sludge samples, it was necessary to apply more complex microplastic extraction protocols. Peroxidation proved to be an effective treatment for all the samples studied, resulting in the reduction of organic matter and the improvement of visual identification. In the tests with the biological reactor, a significant accumulation of microplastics was observed in the mixed liquor (activated sludge) compared to the effluent. This accumulation of microplastics in the sludge can lead to the contamination of agricultural soils when they are applied as fertilizers. To mitigate the contamination of agricultural soils by microplastics present in sludge, the use of the ultrasound technique was proposed for the extraction of these microparticles present in the mixed liquor. Through this technique, significant amounts of microplastics were separated from the organic matrix of the sludge, which is what is applied to the field. Finally, the presence of microfibers in natural and drinking water was studied using the Nile Red staining technique to investigate the feasibility and limitations of this method. It was observed that the fluorescence emission by virgin microfibers and microfibers separated from these water samples can show different fluorescence behaviors which could be related to the degree of degradation of the microfiber materials.