Microplastics in Water and Wastewater

Second Edition

Edited by Hrissi K. Karapanagioti and loannis K. Kalavrouziotis

Contents

About the Editors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii

Foreword (Hideshige Takada) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix

Foreword (Peter Kershaw) xxi

Chapter 1 Plastics and microplastics in the human water cycle . . . . . . . 1 K. Katsanou, H. K. Karapanagioti and /. K. Kalavrouziotis

1.1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Basic Characteristics of Microplastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 The Human Water Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 .4 Accumulation and Transport of Microplastics in the

Water Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4.1 Microplastics in seawater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4.2 The abundance of microplastics in freshwater

ecosystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4.3 Microplastics in river water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4.4 Microplastics in groundwater, and in tap and

bottled water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5 Legislation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

vi Microplastics in Water and Wastewater

Chapter 2 Association of hazardous compounds with microp/astics in freshwater ecosystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 L. M. Rios Mendoza and M. Balcer

2.1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Hazardous Compounds Associated with Microplastics . . . . . . . . . 16

2.2.1 POPs adsorbed on microplastic surfaces . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.2 Pharmaceutical products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.3 Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.4 Bacteria and viruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.5 Additive compounds from MPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 References 22

Chapter 3 Microplastics in wastewater treatment plants: A literature review of sampling methods and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 N. Mourgkogiannis and H. K. Karapanagioti

3.1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2 Microplastics in WWTPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2.1 Sampling sites and methods for the detection of microplastics in WWTPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2.2 Type and quantities of MPs released from WWTPs . . . . . 34 3.3 Microplastics in Greek WWTPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Chapter 4 Microplastics: Transport and removal at wastewater treatment p/ants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 S. A. Carr and J. Thompson

4.1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.2 Preliminary Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2.1 Primary treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2.2 Impact of the primary sedimentation stage

on microplastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.3 Secondary Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.4 Tertiary Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Contents vii

4.4.1 The role of filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.4.2 Disinfection using chlorine/hypochlorite . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.5 Chemical and Microbial Resistance of Polymerie Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.5.1 Recalcitrant properties of plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.5.2 Biological transformation of plastics during

wastewater treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.5.3 Are there extant photolytic influences on plastics

during wastewater treatment? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.6 Other Factors lnfluencing the Fate of Plasticc; in WWTPs . . . . . . 55

4.6.1 Neutrally buoyant plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.6.2 Mechanical/chemical fracturing of plastic

particles at treatment plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.7 Sludge Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.7.1 Thickening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.7.2 Digestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4. 7 .3 Sludge dewatering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.8 Removal of Plastic Particles in WWTPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Chapter 5 Method development for microplastic ana/ysis in wastewater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 A. Dyachenko, M. Lash and N. Arsem

5.1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.2 Sampling Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.3 Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.3.1 Chemical digestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3.2 Enzymatic digestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.4 Particle Analysis ........................................ •. 73 5.4.1 Spectroscopic analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.4.2 Automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.4.3 Rapid screening/fluorescent microscopy . . . . . . . . . . . . . . 75

5.5 Data Quality Objectives (DQO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.5.1 Certified reference material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.5.2 Initial validation and demonstration of capability . . . . . . . . 78

5.6 Reporting and Documentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5. 7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 References ............................. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

viii Microplastics in Water and Wastewater

Chapter 6 Microplastics in sewage sludge: Captured but released? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 A. L. Lusher, R. R. Hurley and C. Vogelsang

6.1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.2 Transfer of Microplastics to the Sludge Phase . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.2.1 Coarse bar screens and grit chambers . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6.2.2 Grease skimmers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6.2.3 Primary and secondary clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.2.4 Other treatment steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6.3 Reported Concentrations of Microplastics in Sewage Sludge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.3.1 Methods used . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.3.2 Comparisons between studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6.4 Fate of Microplastics in Sewage Sludge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.4.1 Potential implications associated with

microplastic release . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Chapter 7 Mode/ing microp/astics transport and fate in the marine environment around a wastewater effluent discharge pipe ............... . . .. .. . ...... ... .... .. ..... 101 D. P. Korfiatis

7.1 lntroduction .......................... . .................. 101 7.2 Transformation Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.2.1 Homoaggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 7.2.2 Heteroaggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 7.2.3 Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

7.3 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7 .3.1 Sedimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.3.2 Advection--diffusion .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

7 .4 Mathematical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 7 .5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Contents ix

Chapter 8 Evaluating wastewater effluent as a source of microplastics in environmental samp/es . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 W Cowger, A. B. Gray, M. Eriksen, C. Moore and M. Thiel

8.1 lntrocluction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 8.2 Anecdotal Evidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 8.3 Taxonomie Evidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

8.3.1 Microplastic indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 8.3.2 Macroplastic indicators . .. .. . .. . .. .. . .. . .. . .. . .. .. . 119

8.4 Wastewater lndicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.5 Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.6 Mass Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 8.7 Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 8.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Chapter 9 Pollution of beaches and watercourses by plastic biomedia . . . .. . . . . . . . . .. . . .. . .. . . . . . .. . . .. . . . . . .. 133 P. Bencivengo and C. Barreau

9.1 lntroduction to Biomedia Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.2 Background to Wastewater Purification and

Biological Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 9.2.1 Overview of operations in a sewage

treatment system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 9.2.2 Focus on biological treatment .. . .. . .. . .. .. .. .. .. .. .. 134 9.2.3 Fluidised bed bioreactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

9.3 Users . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 9.3.1 Municipal sewage treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 9.3.2 Private off-mains sewage treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 9.3.3 Non-public industrial wastewater treatment . . . . . . . . . . . 137

9.4 The Spread of Biomedia in the Natural Environment . . . . . . . . . 137 9.4.1 Land-based sources and transportation

in waterways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 9.5 Monitoring Biomedia Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 9.6 Biomedia Pollution lncidents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

9.6.1 Saint-Prex (Switzerland) . .. .. .. .. .. . .. .. . .. .. .. .. .. 139 9.6.2 Nemina beach (Spain) . .. . . . . . .. . . .. . . .. . . . . . . . . . . . 141

X Microplastics in Water and Wastewater

9.6.3 Evaluation of observed pollution events . . . . . . . . . . . . . . 141 9. 7 System Malfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

9.7.1 Cause of system malfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 9.7.2 Description of observed cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

9.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Chapter 10 Effects of microplastics on freshwater and marine microa/gae ............. . ............ . ........ .. . 147 Merve Tunall and Orhan Yenigün

10.1 The Global Plastic Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 10.2 Effects of Microplastics on Microalgae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

10.2.1 Algal growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 10.2.2 Photosynthetic efficiency and chlorophyll

concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 10.2.3 Other effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

10.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

Chapter 11 Possible effects on plants due to microplastics in soils from wastewater effluent reuse or sewage sludge application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 D. Papaioannou and /. K. Kalavrouziotis

11 .1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 11.2 Microplastics and Nanoplastics in Agricultural Soils . . . . . . . . . 160

11 .2.1 Sources of plastic in agricultural soils . . . . . . . . . . . . . . 160 11 .2.2 Microplastics quantity in agricultural soils from

WWTP by-products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 11.3 Degradation of Microplastics on Land . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

11 .3.1 Additives in plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 11.4 Microplastics as an Agricultural Soils Hazard . . . . . . . . . . . . . . . 167 11.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

Chapter 12 Possib/e effects of microp/astics on human health E. Sazakli and M. Leotsinidis

177

12.1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Contents xi

12.2 Health Impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 12.2.1 Particle effects . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . .. . . . 178 12.2.2 Chemical effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 12.2.3 Microbial transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

12.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

Chapter 13 The need for a global plastic strate3y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 S. Kordella, H. K. Karapanagioti and G. Papatheodorou

13.1 The Environmental Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 13.2 Review of Key Strategies and Policies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

13.2.1 International strategies and policies on marine litter pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

13.2.2 European strategies and policies on marine litter pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

13.2.3 National and local initiatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 13.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Index ................................................... 209

Study guide ............................................ 215