Παρακολούθηση μικροπλαστικών και ιικού φορτίου στα αστικά λύματα

Abstract

The present thesis focuses on a) the identification of microplastics (MP) in Wastewater Treatment Plants (WWTP), their removal rates and the amounts that are finally discharged from WWTPs, based on all available literature and b) SARS-CoV-2 identification in wastewater, as well as its fate and transport through the sewer system. An optimization procedure is proposed for selecting monitoring points, in terms of number and location across the sewer system, aiming at the assessment of COVID-19 disease dispersion in the community. More analytically, in Part 1, existing literature on the presence of MPs in WWTPs and their fate during treatment is reviewed and analyzed. Collected data concern: MP concentration at the influent and the effluent, at intermediate stage and in the sludge and other solid waste of the WWTP, total removal rates and removal rates per treatment stage, sampling and analysis methods, level of treatment applied in each plant, size, morphology and material of identified MPs, as well as total quantity of MPs that are released to the environment with wastewater and sludge effluent. The main findings are presented herein. Concentration of MPs in wastewater effluents is between 0.005 and 1,294MP/L, but usually it is lower than 13MP/L. There is a significant difference between influent and primary treatment effluent concentration, similarly between primary and secondary effluent concentration, while there is no significant difference between secondary and tertiary effluent concentration. Total removal rates of the reviewed WWTPs are between 57.2% and 99.9%, however in most cases it is higher than 80%. In addition, there is significant difference between secondary and tertiary treatment removal rates. The greater amount of MPs is removed during primary treatment. Removal rates of pre-treatment (screening, grid and grease removal) and primary sedimentation are not significantly different, however primary sedimentation appears to have high removal performance rate, even in cases where pre-treatment stage is absent. The main process of MPs removal during wastewater treatment are: a) the entrapment of larger MPs on screens or those adhered to other large items, b) the natural settling or settling with other particles while adsorbed on them, c) the removal with grease skimming for lighter particles that remain in flotation, d) the enhanced settling with chemical additives, e) the retention of advanced filtration and membrane technologies. Smaller particles are usually more abundant in samples and their percentage is usually increased in the effluent, due to lower removal rates or fragmentation during treatment. The most common MPs identified in samples are fibers followed by fragments. Fibers’ percentage is increased in the effluent due to lower removal rates since small fibers are less susceptible to sedimentation and their shape allows the crossing of the filters and membranes. The most common materials identified of MPs in WWTPs are PP, PE, PS, PET, acrylates, nylon, synthetic cellulose and PB, ABS if stormwater contributes in WWTP under study. The main sources of MPs found at municipal WWTPs are textiles’ fibers and particles that are intentionally added in products such as cosmetics and detergents. MPs that are removed in the wastewater treatment process, remain in sludge and exit the plant. The treated sludge is an important product of the facility and can be used in soil improvement or agricultural land, but after careful analysis of its quality characteristics. WWTPs can release to the environment millions of MPs with treated wastewater and billions of MPs with treated sludge, daily. The results of this study offer to the scientific world an inclusive and thorough understanding of the current capability of the WWTPs to remove microplastics from wastewater and sludge, and contribute to the improvement of the processes involved in order to decrease the amount of MPs released into the environment, taking into account the extensive use of plastics not only in packaging, but also in cosmetics and clothes. In Part 2, an optimization procedure is proposed for optimal selection of sampling points for detecting SARS-CoV-2 RNA in sewer systems. The proposed methodology comprises a three-step procedure: hydraulic simulation - optimization - decision making. Initially, the hydraulic modelling of the sewerage, with the simulation of fate and transport of SARS-CoV-2 RNA in the sewerage is employed. Data extracted from the hydraulic simulation, is utilized in the calculation of objective functions’ values required for the optimization algorithm. The optimization algorithm is then executed and a pareto-front containing the non-dominated solutions is generated. Following, a decision-making process is carried out for picking certain well-balanced solutions among the non-dominated solutions. Finally, a validation of the results is carried out. EPA’s SWMM is used for the hydraulic simulation of the sewer system and for the virus’ fate and transport simulation. The NSGA-II optimization algorithm is also used. A small indicative sewer collection system along with the collection system of the city of Kozani, Greece, are used as study areas, for the application of the proposed methodology. Time series data of SARS-CoV-2 RNA concentration across the sewer system are obtained under different scenarios of a) initial concentration, b) decay rate of SARS-CoV-2 RNA, and c) entrance points of initial concentration. Additionally, a sensitivity analysis of the model is performed in order to assess initial concentration and decay rate effects on concentration at each node of the sewerage. The objective functions under evaluation are: first detection time, detection likelihood, population that can be inspected in addition to joint entropy and total correlation of each combination of sampling points, in order to find the most informative solutions. Different combinations of objective functions are considered. The main conclusions are the following: a) for the small collection system, 1 to 3 sampling points are adequate, while for the collection system of Kozani city, 4 to 7 sampling points are required, b) the inlet point to the WWTP as the only sampling point is not adequate, in medium and large sewer systems, especially in case of early warning systems, due to low detection likelihood and information content, c) an effective option for sampling points location is to be well distributed across the sewerage system, because upstream points are not able to inspect the whole population, while downstream points are more susceptible to critical concentration reduction due to decay of viral RNA. For validation, some extra scenarios are run with different entrance points. Those scenarios’ results are used to evaluate the ability of the proposed solutions to detect the virus. The optimization procedure considers as objective functions the maximization of the joint entropy and the minimization of the total correlation appear to have the best performance under validation scenarios. It is important that the special characteristics of the sewer systems along with the purpose of wastewater surveillance should always be considered before sampling point selection.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η εις βάθος μελέτη της ανίχνευσης και παρακολούθησης των ποιοτικών χαρακτηριστικών των λυμάτων μέσα στο δίκτυο αποχέτευσης και τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων. Πιο αναλυτικά, στόχος της διατριβής είναι α) η αποτίμηση του βαθμού απομάκρυνσης των μικροπλαστικών (ΜΠ) και των ποσοτήτων τους που εκρέουν από τις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων (ΕΕΛ) μέσω ανασκόπησης της υπάρχουσας βιβλιογραφίας και στατιστικής επεξεργασίας των δεδομένων αυτών και β) η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας βέλτιστης επιλογής σημείων δειγματοληψίας για την παρακολούθηση του ιικού φορτίου του SARS-CoV-2 στα λύματα. Η ανίχνευση μικροπλαστικών στα λύματα και η βελτιστοποίηση σημείων δειγματοληψίας για ιικό φορτίο στο δίκτυο αποχέτευσης σχετίζονται μέσω της ανάγκης για την αποτελεσματική παρακολούθηση και αξιολόγηση της ποιότητας των υδάτων και της δημόσιας υγείας. Ειδικότερα, στο 1ο μέρος συλλέχθηκε η βιβλιογραφία, που αφορά στην ύπαρξη και την εξέλιξη των ΜΠ στις ΕΕΛ, από την οποία αντλήθηκαν τα διαθέσιμα δεδομένα για περαιτέρω στατιστική επεξεργασία και ανάλυση για την εξαγωγή συμπερασμάτων. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν είναι κατά κύριο λόγο οι συγκεντρώσεις των ΜΠ στην είσοδο και στην έξοδο της εγκατάστασης, σε επιμέρους στάδια της επεξεργασίας αλλά και στην ιλύ, τα εσχαρίσματα και την άμμο, τα συνολικά ποσοστά απομάκρυνσης ΜΠ που επιτυγχάνονται, τα επιμέρους ποσοστά απομάκρυνσης ΜΠ από τα διάφορα στάδια της επεξεργασίας, οι μέθοδοι και τα σημεία δειγματοληψίας, οι μέθοδοι ανάλυσης των δειγμάτων, το επίπεδο της επεξεργασίας που εφαρμόζεται, τα χαρακτηριστικά των ΜΠ που εντοπίζονται ως προς το μέγεθος, τη μορφολογία και το υλικό, τις εκτιμήσεις των συνολικών εξερχόμενων ποσοτήτων ΜΠ από τις ΕΕΛ στο περιβάλλον, είτε μέσω των λυμάτων είτε μέσω της ιλύος. Οι τιμές των συγκεντρώσεων των ΜΠ στην εκροή των ΕΕΛ είναι στο εύρος 0,005-1.294MP/L, ωστόσο στις περισσότερες ΕΕΛ καταγράφονται συγκεντρώσεις ΜΠ στην εκροή κάτω από 13MP/L. Για τις συγκεντρώσεις των ΜΠ στα διάφορα στάδια της επεξεργασίας προέκυψε η ύπαρξη στατιστικά σημαντικής διαφοράς μεταξύ συγκεντρώσεων στην εισροή των ΕΕΛ και στην εκροή της πρωτοβάθμιας επεξεργασίας, αλλά και μεταξύ της εκροής της πρωτοβάθμιας και δευτεροβάθμιας επεξεργασίας, ενώ δεν διαπιστώθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά μεταξύ των συγκεντρώσεων που ανευρέθηκαν στην εκροή της δευτεροβάθμιας και της τριτοβάθμιας επεξεργασίας. Τα συνολικά ποσοστά απομάκρυνσης των ΜΠ από τις ΕΕΛ είναι στο εύρος 57,2-99,9%, ωστόσο οι περισσότερες ΕΕΛ επιτυγχάνουν ποσοστά πάνω από 80%. Η διαφορά μεταξύ των συνολικών ποσοστών απομάκρυνσης των ΕΕΛ με δευτεροβάθμια και τριτοβάθμια επεξεργασία διαπιστώθηκε στατιστικά σημαντική. Το μεγαλύτερο ποσοστό των ΜΠ απομακρύνεται κατά την πρωτοβάθμια επεξεργασία. Τα επιμέρους ποσοστά προ-επεξεργασίας (εσχάρωση και αμμοσυλλογή – λιποσυλλογή) και πρωτοβάθμιας καθίζησης δεν διαφέρουν σημαντικά, ωστόσο η πρωτοβάθμια καθίζηση φαίνεται να αποδίδει υψηλά ποσοστά απομάκρυνσης, ακόμα και σε απουσία προ-επεξεργασίας. Οι βασικές διαδικασίες απομάκρυνσης των ΜΠ στις ΕΕΛ είναι: α) η απομάκρυνση σε μικρού ανοίγματος σχάρες ή με προσκόλληση σε μεγαλύτερα στερεά αντικείμενα, β) η απομάκρυνση με φυσική καθίζηση ή μετά από προσρόφηση σε άλλα σωματίδια στον αμμοσυλλέκτη και τις δεξαμενές καθίζησης, γ) η απομάκρυνση με επίπλευση στον λιποσυλλέκτη, δ) η απομάκρυνση με την ενίσχυση της καθίζησης με προσθήκη χημικών, ε) η συγκράτηση με προηγμένες διεργασίες διήθησης ή μεμβρανών. Τα μικρότερα σε μέγεθος ΜΠ είναι συνήθως πολυάριθμα και τα ποσοστά τους αυξάνονται με την πάροδο της επεξεργασίας, είτε επειδή τα μεγαλύτερα απομακρύνονται πιο αποτελεσματικά, είτε επειδή αυτά φθείρονται και κατακερματίζονται κατά την επεξεργασία δημιουργώντας μικρότερα σε μέγεθος ΜΠ. Οι ίνες είναι συνήθως το πιο πολυάριθμο είδος σχήματος στα περισσότερα δείγματα, ακολουθούμενες από τα θραύσματα, και το ποσοστό τους αυξάνεται στην εκροή καθώς διαθέτουν τα χαμηλότερα ποσοστά απομάκρυνσης και είναι ικανές να διαπεράσουν ακόμα και τα προηγμένα φίλτρα και μεμβράνες. Τα συνηθέστερα υλικά που εντοπίζονται είναι τα PP, PE, PS, PET, ακρυλικά, νάιλον, συνθετική κυτταρίνη και PB, ABS όταν συμβάλλει και επιφανειακή απορροή ομβρίων υδάτων. Οι κύριες πηγές ΜΠ στις ΕΕΛ είναι οι ίνες από τα υφάσματα και τα σωματίδια που περιέχονται σε πολλά προϊόντα, όπως προϊόντα προσωπικής φροντίδας και απορρυπαντικά. Τα ΜΠ που απομακρύνονται από τα λύματα συγκεντρώνονται στην ιλύ και στα άλλα υπολείμματα της επεξεργασίας, όπως εσχαρίσματα και άμμο, από όπου εξέρχονται από την εγκατάσταση και εναποτίθενται σε Χ.Υ.Τ.Α, στο έδαφος ή σε αγροτικές εκτάσεις όταν η ιλύς χρησιμοποιείται ως εδαφοβελτιωτικό. Από τις εκροές των ΕΕΛ, επίσης, εξέρχονται σημαντικές ποσότητες ΜΠ προς τους υδάτινους αποδέκτες. Οι εκτιμήσεις των ερευνητών για τα συνολικά ποσοστά των ΜΠ που μπορούν να εξέρχονται ημερησίως από μια ΕΕΛ από τις εκροές είναι της τάξης των αρκετών εκατομμυρίων, ενώ από την επεξεργασμένη ιλύ είναι της τάξης των αρκετών δισεκατομμυρίων. Οι διαπιστώσεις αυτές και τα συμπεράσματα προσφέρουν στον επιστημονικό κόσμο μια συνολική εικόνα για την παρούσα δυνατότητα επεξεργασίας των αστικών λυμάτων ως προς την αφαίρεση των ΜΠ, με την προοπτική αξιοποίησης αυτών για την καλύτερη λειτουργία τους, με δεδομένη την συνεχόμενη αύξηση χρήσης πλαστικού αλλά και καλλυντικών και άλλων ειδών προσωπικής υγιεινής. Στο 2ο μέρος προτείνεται μια μεθοδολογία τριών βημάτων, με σκοπό τη βέλτιστη επιλογή σημείων δειγματοληψίας για την παρακολούθηση της παρουσίας του γενετικού υλικού του ιού SARS-CoV-2 στα λύματα μιας αστική περιοχής, ως προς τον αριθμό και τη θέση τους. Τα βήματα αυτά περιλαμβάνουν: 1) την υδραυλική προσομοίωση του δικτύου αποχέτευσης της περιοχής μελέτης και της κίνησης του ιικού RNA μέσα σε αυτό, για την εξαγωγή των απαραίτητων δεδομένων, 2) την εκτέλεση του αλγορίθμου βελτιστοποίησης από τον οποίο προκύπτει ένα σύνολο βέλτιστων συνδυασμών σημείων δειγματοληψίας (Pareto βέλτιστες λύσεις), 3) την εφαρμογή τεχνικών λήψης απόφασης για την επιλογή των καταλληλότερων βέλτιστων λύσεων. Στη συνέχεια ακολουθεί η επαλήθευση των αποτελεσμάτων. Η υδραυλική προσομοίωση του δικτύου αποχέτευσης και της κίνησης του ιικού φορτίου πραγματοποιείται με την χρήση του λογισμικού EPA SWMM, με διαφορετικά σενάρια α) αρχικής συγκέντρωσης, β) ρυθμού αποσύνθεσης και γ) σημείων εισόδου του ιικού RNA. Στη συνέχεια εξάγονται τα δεδομένα συγκεντρώσεων του ιικού RNA στους κόμβους του δικτύου και πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας του μοντέλου ως προς την αρχική συγκέντρωση και τον ρυθμό αποσύνθεσης. Επιπλέον, τα δεδομένα της προσομοίωσης χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των αντικειμενικών συναρτήσεων του αλγορίθμου βελτιστοποίησης. Χρησιμοποιείται ο αλγόριθμος NSGA-II. Οι αντικειμενικές συναρτήσεις που αξιολογούνται είναι ο χρόνος πρώτου εντοπισμού του ιικού RNA, η πιθανότητα εντοπισμού, ο πληθυσμός που μπορεί να επιτηρείται, η συνδυασμένη εντροπία και η ολική συσχέτιση με διάφορους συνδυασμούς. Η μεθοδολογία εφαρμόζεται σε ένα μικρό ενδεικτικό δίκτυο αποχέτευσης και στο δίκτυο αποχέτευσης της πόλης της Κοζάνης. Για το μικρό δίκτυο η λήψη δειγμάτων από 1 έως 3 σημεία και για το δίκτυο της Κοζάνης από 4 έως 7 εμφανίζεται επαρκής. Η λήψη δείγματος μόνο από το σημείο εισόδου των λυμάτων στην ΕΕΛ δεν φαίνεται να είναι επαρκής, για μεσαία και μεγαλύτερα δίκτυα, ειδικά όταν επιδιώκεται η έγκαιρη προειδοποίηση από τα πρώτα στάδια εξάπλωσης ενός ιού, κυρίως λόγω χαμηλής πιθανότητας ανίχνευσης. Η διασπορά των σημείων δειγματοληψίας εντός του δικτύου είναι η καταλληλότερη επιλογή, καθώς τα ανάντη σημεία υστερούν ως προς τον πληθυσμό που μπορεί να επιτηρηθεί, ενώ τα κατάντη υστερούν λόγω της μείωσης του ιικού φορτίου κατά την κίνηση στο δίκτυο. Για την επαλήθευση εκτελούνται επιπλέον σενάρια με διαφορετικά σημεία εισόδου του ιικού φορτίου. Με τα αποτελέσματα αυτών των σεναρίων γίνεται επαλήθευση της ικανότητας των προτεινόμενων λύσεων να εντοπίζουν το ιικό φορτίο. Την καλύτερη απόδοση στην επαλήθευση την παρουσιάζουν οι λύσεις που επιλέχθηκαν από τον συνδυασμό βελτιστοποίησης με κριτήρια την μεγιστοποίηση της συνδυασμένης εντροπίας και την ελαχιστοποίηση της ολικής συσχέτισης. Σε κάθε περίπτωση τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του δικτύου αποχέτευσης και οι στόχοι της παρακολούθησης του ιικού φορτίου στα λύματα θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την επιλογή των σημείων δειγματοληψίας. Η παρακολούθηση μικροπλαστικών και ιικού φορτίου συμβάλλει στην κατανόηση της σχέσης μεταξύ περιβάλλοντος και δημόσιας υγείας. Μπορεί να επισημάνει κινδύνους αλλά και να υποστηρίξει την ανάπτυξη πολιτικών για την προστασία του περιβάλλοντος και της δημόσιας υγείας. Οι πληροφορίες που συλλέγονται βοηθούν στη διαχείριση των επικίνδυνων αποβλήτων και στην προστασία του κοινού από κοινούς ρυπαντές.