Going with the Flow
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Origin Story: A Liquid More Valuable than Gold...
Water is in the highest demand it has ever been. Despite over 70 percent of Earth’s surface being covered by water, most is in the salty, salty ocean. Only 3 percent of the Earth’s water supply is fresh, and only 0.5 percent is readily available while the rest is stored in the atmosphere, glaciers, ice caps and soil, or is too polluted or deep under the Earth’s surface to be used. With limited freshwater availability, access to clean, drinkable water is unequal across the globe.
Clean water is vital for avoiding the spread of disease and producing food, energy, and manufactured goods. With access to safe water comes water usage and wastewater. If released back into the environment, wastewater can contaminate freshwater sources making access to clean drinking water even more difficult. So, it is equally important to treat water both before and after use.
While clean water availability has been a global issue for quite some time, climate change is introducing further complications. With a changing climate comes a changing global water cycle that can make freshwater even scarcer. More concerningly, our current water treatment methods are contributing to climate change. The more water we use, the more water we need to clean, and the more energy is required to pump water and power equipment to do so. This energy usage results in higher greenhouse gas emissions as most of our energy is obtained from burning fossil fuels. Methods to treat drinking water and wastewater are becoming more energy efficient, but sustainable methods are needed to combat climate change.
Water the Odds?
Can Existing Technologies Solve New Water Quality Issues?
In today’s world, plastics are contributing to the water quality issue as a pollutant because humans now use plastics in almost everything we do. How much plastic have you used today? From food packaging and containers to electronics and clothing, we rely on plastic in a lot of ways, but they are becoming a major source of concern for environmental scientists. Microplastics, plastics that are under five millimetres in size due to being made small or from the breakdown of larger plastic pieces, have now been found in the most remote places on Earth and within our blood. They are everywhere, but it is unclear what the full extent of their harm may be.
Once introduced to the environment, plastic begins to break down from natural forces into smaller and smaller fragments. The smallest microplastics are called nanoplastics and can be small enough to enter cells and potentially disrupt normal function. Additionally, in nature plastics have a strong attraction for pollutants or disease-causing microorganisms known as pathogens, which can be extremely harmful to living things. So, while microplastics themselves are problematic, what they may carry with them is also concerning. Areas with more human activity have more microplastics in the surrounding environments. Once microplastics enter our natural waterways they can travel or settle there. Why is this a problem? Well, aside from the damage this does to ecosystems, this is where drinking water is obtained from.
Environmental engineers save countless lives every year by providing quality drinking water. However, microplastics pose a challenge as water treatment processes must now remove them for water to be safe for public consumption while simultaneously not increasing the energy requirements to do so. One of the best methods to remove microplastics from water is called reverse osmosis which involves pushing water through a filter. This is an extremely energy consuming process and therefore an unrealistic solution.
Dr. Jinkai Xue is an environmental systems engineering researcher who studies sustainable water treatment and whose lab is currently working to find sustainable solutions to remove microplastics from drinking water and wastewater. Recently they have performed a study to determine if one of the first steps of most drinking water treatment plant processes, called coagulation-flocculation-sedimentation, also removes microplastics! Although classified as being five millimetres or smaller, microplastics range in size, shape and material which can change their properties. This makes them extremely difficult for researchers to detect or study. For this reason, their study looked at one type of microplastic made of polystyrene which is a clear, solid, cheap plastic used to make disposable eating utensils, Styrofoam, electronics and much more. They simulated these microplastics to be “weathered” with a spherical shape of many sizes and used waters from a lake and river that each supply full-scale drinking water treatment plants so they could simulate removing microplastics from the type of waters we drink.
What they found in their study was:
1) Smaller microplastics of this type can be well removed from water using existing water treatment technologies.
2) Larger microplastics of this type could likely be removed during later steps in the existing water treatment process.
3) The smaller the microplastic, the more problematic and harder it is to deal with.
Hooray! Dr. Xue and their team discovered that an existing process in most drinking water treatment plants can work to remove microplastics. Therefore, we may be able to prevent microplastics from coming out of our taps by fine-tuning the operations of our existing treatment plants. This study demonstrates the concept of sustainability; instead of building or making something new, sometimes we can use something that already exists! While a lot is still unclear about microplastics, studies like this will help us deal with them; especially when the wheel does not have to be reinvented, so to speak!
Did you know that...
Coagulation-flocculation-sedimentation is one of the first processes treated water undergoes because it removes solids such as dirt suspended in the water.
1) Adding coagulant to untreated water:
Contaminants such as sediment or microplastics are often negatively charged and repel one another. A positively charged chemical called a coagulant is added as it is attracted to these particles.
2) Coagulation:
The coagulant joins particles and neutralizes them. The neutral particles no longer repel and are now capable of sticking together.
3) Flocculation:
The water is gently mixed, allowing neutral particles to stick together and form loosely clumped masses called flocs.
4) Sedimentation:
Larger flocs become heavy and sink to the bottom. The particles can now be removed.
Try This at Home: Sneaky Pollutants
In order to grow crops, we need a lot of water! However, if the water contains pollutants such as microplastics, they can make their way into the plants being grown and contaminate the food chain they supply. Take a look at how this process happens using food colouring and celery.
Materials needed: Leafy celery stalk, food colouring, and mason jar or cup filled with water.
1. Add four to five drops of food colouring to your jar, whichever colour you please.
2. Rip off a stalk of leafy celery and place it into the jar with the leaves facing upwards.
3. Check back every few hours. What do you notice?
In this experiment, the food colouring acts as a pollutant being absorbed by a crop (represented by celery), demonstrating how pollutants can be absorbed into plants, and why water treatment is so important for our collective health.
Climate Action: Watch Your Sinks, Our Water Health Is on the Brink!
Microplastics and other pollutants can enter our ecosystems via wastewater from your household sinks. To combat climate change and protect our ecosystems and health, consider what you do and do not flush or wash down the drain. Things you should not send down the drain include things you can throw away (e.g., plastics, hygiene products), take to a collection centre (e.g., fats, oils and greases or household hazardous wastes), or return to the pharmacy (medications). Preventing pollutants from washing down drains means less can enter the environment and less energy is needed to remove them from our water. The less energy we use, the fewer greenhouse gases enter our atmosphere, and the closer we are to combatting climate change!
Meet Our Local Science Hero:
What is your favourite part about being an environmental engineer?
“I find myself really excited when solving engineering challenges, it’s like playing Lego!”
Credit
The Origin Story was written based on The American River Water Education Center. “Water Facts - Worldwide Water Supply” Bureau of Reclamation. November 4, 2020. https://www.usbr.gov/mp/arwec/water-facts-ww-water-sup.html.
This Science Spotlight was written based on the ongoing work of Dr. Xue, as well as Xue, Jinkai, Sigrid Peldszus, Michele I. Van Dyke, and Peter M. Huck. “Removal of polystyrene microplastic spheres by alum-based coagulation-flocculation-sedimentation (CFS) treatment of surface waters.” Chemical Engineering Journal 422 (2021): https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130023.
The Climate Action section was developed based on City of Toronto. “What Not to Flush or Pour Down the Drain.” City of Toronto. Last modified October 14, 2021. https://www.toronto.ca/services-payments/water-environment/water-sewer-related-permits-and-bylaws/sewers-by-law/what-not-to-flush-or-pour-down-the-drain/.
Histoire de la genèse : Un liquide plus précieux que l'or…
La demande d'eau est la plus forte qu'elle ait jamais connue. Plus de 70 pour cent de la surface de la Terre soit recouverte d'eau, la majeure partie se trouve dans les océans salés. Seulement 3 pour cent des réserves d'eau de la Terre sont douces, et seulement 0,5 pour cent sont disponibles, tandis que le reste est stocké dans l'atmosphère, les glaciers, les calottes glaciaires et le sol, ou est trop pollué ou trop profond sous la surface de la Terre pour être utilisé. La disponibilité de l'eau douce étant limitée, l'accès à l'eau propre et potable est inégal dans le monde.
L'eau propre est vitale pour éviter des maladies et produire de la nourriture, de l'énergie et des produits manufacturés. L'accès à l'eau potable s'accompagne de l'utilisation de l'eau et des eaux usées. Si elles sont rejetées dans l'environnement, les eaux usées peuvent contaminer les sources d'eau douce, ce qui rend l'accès à l'eau potable encore plus difficile. Il est donc tout aussi important de traiter l'eau avant et après son utilisation.
Avec la disponibilité de l'eau potable est un problème mondial depuis un certain temps, le changement climatique introduit de nouvelles complications. L'évolution du climat s'accompagne d'une modification du cycle mondial de l'eau qui peut rendre l'eau douce encore plus rare. Plus inquiétant encore, nos méthodes actuelles de traitement de l'eau contribuent au changement climatique. Plus nous utilisons d'eau, plus nous devons en nettoyer, et plus il faut d'énergie pour pomper l'eau et alimenter les équipements nécessaires à cette opération. Cette consommation d'énergie entraîne une augmentation des émissions de gaz à effet de serre, car la plupart de notre énergie provient de la combustion de combustibles fossiles. Les méthodes de traitement de l'eau potable et des eaux usées deviennent plus efficaces sur le plan énergétique, mais des méthodes durables sont nécessaires pour lutter contre le changement climatique.
Quelles sont les chances ?
Les technologies existantes peuvent- elles résoudre les nouveaux problèmes de qualité de l'eau ?
Dans le monde d'aujourd'hui, les plastiques contribuent au problème de la qualité de l'eau en tant que polluants, car les humains utilisent désormais des plastiques dans presque tout ce qu'ils font. Combien de plastique avez-vous utilisé aujourd'hui ? Qu'il s'agisse d'emballages et de récipients alimentaires, d'appareils électroniques ou de vêtements, nous utilisons le plastique de nombreuses façons, mais il devient une source de préoccupation majeure pour les scientifiques de l'environnement. Les microplastiques, c'est-à-dire les plastiques dont la taille est inférieure à cinq millimètres parce qu'ils ont été fabriqués en petites quantités ou parce qu'ils se décomposent en morceaux plus grands, ont été découverts dans les endroits les plus reculés de la planète et dans notre sang. Ils sont partout, mais on ne sait pas encore très bien quelle est l'étendue de leurs effets.
Une fois introduit dans l'environnement, les plastiques commence à se décomposer sous l'effet des forces naturelles en fragments de plus en plus petits. Les microplastiques les plus petits sont appelés nano plastiques et peuvent être suffisamment petits pour pénétrer dans les cellules et potentiellement perturber leur fonctionnement normal. De plus, dans la nature, les plastiques exercent une forte attraction sur les polluants ou les micro-organismes pathogènes, qui peuvent être extrêmement dangereux pour les êtres vivants. Ainsi, si les microplastiques eux-mêmes sont problématiques, ce qu'ils peuvent transporter avec eux est également inquiétant. Dans les zones où l'activité humaine est plus intense, on trouve davantage de microplastiques dans les milieux environnants. Une fois que les microplastiques pénètrent dans nos cours d'eau naturels, ils peuvent y voyager ou s'y déposer. Pourquoi est-ce un problème ? Les dommages causés aux écosystèmes, c'est de là que provient l'eau potable.
Les ingénieurs en environnement sauvent d'innombrables vies chaque année en fournissant une eau potable de qualité. Cependant, les microplastiques posent un défi, car les processus de traitement de l'eau doivent désormais les éliminer pour que l'eau soit propre à la consommation publique, sans pour autant augmenter les besoins énergétiques pour y parvenir. L'une des meilleures méthodes pour éliminer les microplastiques de l'eau est l'osmose inverse, qui consiste à faire passer l'eau à travers un filtre. Ce processus est extrêmement énergivore et constitue donc une solution irréaliste.
Jinkai Xue est un chercheur en ingénierie des systèmes environnementaux qui étudie le traitement durable de l'eau. Son laboratoire travaille actuellement à la recherche de solutions durables pour éliminer les microplastiques de l'eau potable et des eaux usées. Récemment, ils ont réalisé une étude pour déterminer si l'une des premières étapes de la plupart des processus des usines de traitement de l'eau potable, appelée coagulation-floculation-sédimentation, élimine également les microplastiques! Bien que classés comme étant de cinq millimètres ou moins, les microplastiques varient en taille, en forme et en matériau, ce qui peut modifier leurs propriétés. Ils sont donc extrêmement difficiles à détecter ou à étudier pour les chercheurs. C'est pourquoi les chercheurs se sont intéressés à un type de micro plastique composé de polystyrène, un plastique transparent, solide et bon marché utilisé pour fabriquer des ustensiles de cuisine jetables, du polystyrène, des appareils électroniques et bien d'autres choses encore. Ils ont simulé ces microplastiques pour qu'ils soient "altérés" avec une forme sphérique de plusieurs tailles et ont utilisé les eaux d'un lac et d'une rivière qui alimentent chacun desstations de traitement d'eau potable à grande échelle afin de pouvoir simuler l'élimination des microplastiques du type d'eau que nous buvons.
Ce qu'ils ont trouvé dans leur étude était :
1) Les microplastiques plus petits de ce type peuvent être bien éliminés de l'eau grâce aux technologies de traitement de l'eau existantes.
2) Les microplastiques plus grands de ce type pourraient probablement être éliminés lors des étapes ultérieures du processus de traitement de l'eau existant.
3) Plus les microplastiques sont petits, plus ils sont problématiques et difficiles à traiter.
Hurray! Monsieur Xue et son équipe ont découvert qu'un processus existant dans la plupart des usines de traitement de l'eau potable peut fonctionner pour éliminer les microplastiques. Par conséquent, nous pourrions être en mesure d'empêcher les microplastiques de sortir de nos robinets en ajustant les opérations de nos usines de traitement existantes. Cette étude illustre le concept de durabilité : au lieu de construire ou de fabriquer quelque chose de nouveau, nous pouvons parfois utiliser quelque chose qui existe déjà ! Bien que beaucoup de choses restent à éclaircir au sujet des microplastiques, des études comme celle-ci nous aideront à y faire face, surtout lorsqu'il n'est pas nécessaire de réinventer la roue, pour ainsi dire ! La coagulation, la floculation et la sédimentation sont l'une des premières méthodes de traitement des microplastiques.
Saviez-vous que...
Les processus que l'eau traitée subit parce qu'elle élimine les solides tels que les saletés en suspension dans l'eau.
1) Ajout de coagulant à une eau non traitée :
Les contaminants tels que les sédiments ou les microplastiques sont souvent chargés négativement et se repoussent mutuellement. Un produit chimique chargé positivement, appelé coagulant, est ajouté car il est attiré par ces particules.
2) Coagulation :
Le coagulant unit les particules et les neutralise. Les particules neutres ne se repoussent et sont maintenant capables de se coller ensemble.
3) Flocculation :
L'eau est doucement mélangée, ce qui permet aux particules neutres de s'agglutiner et de former des masses faiblement agglutinées appelées flocs.
4) Sédimentation :
Les plus gros floc deviennent lourds et coulent au fond. Les particules peuvent alors être retirées.
Essayez ça chez vous : Les polluants insidieux
Pour faire pousser des cultures, nous avons besoin de beaucoup d'eau! Cependant, si l'eau contient des polluants tels que des microplastiques, ils peuvent se retrouver dans les plantes cultivées et contaminent la chaîne alimentaire qu'elles alimentent. Découvrez comment ce processus se déroule en utilisant des colorants alimentaires et du céleri.
Matériel nécessaire : Une branche de céleri, du colorant alimentaire et un pot mason ou une tasse remplie d'eau.
1. Ajoutez quatre à cinq gouttes de colorant alimentaire dans votre pot, de la couleur de votre choix.
2. Coupez une branche de céleri à feuilles et placez-la dans le bocal, les feuilles vers le haut.
3. Vérifiez toutes les quelques heures. Que remarquez-vous ?
Dans cette expérience, le colorant alimentaire agit comme un polluant absorbé par une culture (représentée par le céleri), démontrant ainsi comment les polluants peuvent être absorbés par les plantes, et pourquoi le traitement de l'eau est si important pour notre santé collective.
Action pour le climat : Attention à vos éviers, la santé de nos eaux est au bord du gouffre !
Les microplastiques et d'autres polluants peuvent pénétrer dans nos écosystèmes via les eaux usées provenant des éviers de vos ménages. Pour lutter contre le changement climatique et protéger nos écosystèmes et notre santé, réfléchissez à ce que vous jetez ou ne jetez pas dans les égouts. Les choses que vous ne devez pas envoyer à l'égout sont celles que vous pouvez jeter (par exemple, les plastiques, les produits d'hygiène), apporter à un centre de collecte (par exemple, les graisses et les huiles ou les déchets ménagers dangereux) ou retourner à la pharmacie (médicaments). En empêchant les polluants de s'écouler dans les égouts, une quantité moindre peut pénétrer dans l'environnement et moins d'énergie est nécessaire pour les éliminer de notre eau. Moins nous utilisons d'énergie, moins de gaz à effet de serre pénètrent dans notre atmosphère, et plus nous nous rapprochons de la lutte contre le changement climatique !
Rencontrez notre héros scientifique local :
Qu'est-ce que vous préférez dans le métier d'ingénieur en environnement ?
« Je me trouve vraiment excité quand je résous des défis d'ingénierie, c'est comme jouer aux Lego ! »
Contribution
Histoire de la genèse a été écrite sur la base du Centre d'éducation sur l'eau de l'AmericancRiver. « Water Facts - Worldwide Water Supply » Bureau of Reclamation. Le 4 novembre 2020. https://www.usbr.gov/mp/arwec/water-facts-ww-water-sup.html
Ce guide « Pleins feux sur la science scientifique » e a été écrit sur la base des travaux en cours de Jinkai Xue, ainsi que de Xue, Jinkai, Sigrid Peldszus, Michele I. Van Dyke, et Peter M. Huck. « Removal of polystyrene microplastic spheres by alum-based coagulation-flocculation-sedimentation (CFS) treatment of surface waters. » Chemical Engineering Journal 422 2021: https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130023.
La section Action pour le climat a été élaborée sur la base de la ville de Toronto. « Ce qu'il ne faut pas jeter ou déverser dans le conduit d'évacuation. » Ville de Toronto. Dernière modification le 14 octobre 2021. https://www.toronto.ca/services-payments/water-environment/water-sewerrelated-permits-and- bylaws/sewers-by-law/what-not-to-flush-or-pour-down-the-drain/