Microplastics and rubber in sediment collected over three years in road run-off treatment systems along highway E4 in Stockholm with particular focus on thermoplastic road markings
2025 (English)Report (Other academic)
Sustainable development
SDG 6: Clean water and sanitation
Abstract [en]
Paint in road markings contains microplastics (MP) which can be released by wear from traffic. High emissions of road MPs have been theoretically estimated in Sweden which has placed the road network as the worst MP polluter. Data from field measurements are scarce so if that gap could be filled it would shed light on previous assumptions. Two road run-off treatment systems along the E4 road through Stockholm city were studied for over three years. The primary aim was to cast light on selected mineral filters' capacity to remove dissolved pollutants, e.g. metals. The sediments collected in the two systems' reservoirs were later in focus for a study of MPs. Superficial water in the Lilla Essingen pond and the Gröndal sedimentation reservoir were removed by pumping until the bottom sediment was available for sampling. The pond and the reservoir are outdoor and indoor systems and the first-mentioned receives some stormwater from a housing area. Both systems receive road runoff from the Essinge route of the E4 road by gutters hanging under bridges. Ten sediment samples from each system were investigated for physical parameters and microplastic content. The Lilla Essingen pond stored less sediment than Gröndal due to its smaller catchment area, however, calculated per m2 runoff area it was the opposite 1.32 kg and 1.09 kg dry weight, respectively. This difference is caused by the pond receiving organic material from lawns within the catchment area. The microplastic analysis included 13 polymers and rubber of which only three connected to road marking paint (RMP). The pattern of microplastics found was consistent for both sediments. The microplastic mass varied generally between 25 and 42,000 μg/kg dry substance. The highest measured amount was styrene-butadiene rubber with 82,200 μg/kg dry substance. The RMP polymers detected were polystyrene (PS), polymethylmethacrylate (PMMA) and polyamide 6 (PA6). In Gröndal sediment, PS and PA6 were found in six of ten and one of ten samples, respectively. In Lilla Essingen sediments, PS and PMMA were found in five of ten and one of ten samples, respectively. The release of polymeric RMP was calculated based on the Gröndal sediment as kg/hectare road marking area and year. The estimated value was 3.83 kg for the road with a traffic intensity of 165,000 annual average daily traffic (AADT). The wear of road markings from state roads has been estimated to vary between 1,500‒9,900 tons per year (entire particles) of which the polymer part is 30‒396 tons/year. Assume that 30 tons are released from the state roads and the total road marking area is 2,310 hectares; the release is 30 000 kg/23100000 m2 = 1.30 g/m2/year. A polymer release of 396 tons/year yields 17.14 g/m2/year. The fate of microplastics in that release is unknown other than possible destinies such as transport by road runoff, splash, snow removal, wind, and road sweeping. Difficulties in interpreting these different results depend on a lack of knowledge of how much microplastics leave the road other than through runoff. Field trials must therefore be carried out at a site where runoff, sludge collection, wind dispersion including splash from the road surface, and road maintenance can be measured and controlled. Limitations to the calculations are that some thermoplastic polymers usually found in RMP were not included in the analysis and that part of the analysis method with decantation may have caused losses of microplastics. Although the calculated value in this report is somewhat underestimated, the results indicate low microplastic RMP waterborne emissions from heavily trafficked roads. Sediments and sludge collected over time constitute historical archives that can reflect real conditions, however, more development work needs to be done regarding sampling and, above all, analytical methodology of microplastics in sediments.
Abstract [sv]
Färg i vägmarkeringar innehåller mikroplast (MP) som kan frigöras vid slitage från trafiken. Exempel på vägmarkeringar är körfältslinjer och trappflexlinjer. Höga utsläpp av mikroplast från vägmarkeringar har teoretiskt uppskattats i Sverige vilket har placerat vägnätet som den värsta MP-förorenaren. Data från fältmätningar är knappa så om det gapet kunde fyllas skulle det kunna verifiera eller förkasta tidigare antaganden. Två reningssystem för vägavrinning längs E4:an genom Stockholms stad studerades i över tre år i ett projekt som drevs av Trafikverket i samarbete med KTH. Det primära syftet var att belysa utvalda mineralfilters förmåga att avlägsna lösta föroreningar, t.ex. metaller. Sedimenten som samlades in i de två systemens reservoarer var senare i fokus för en studie av MP. Vattnet i Lilla Essingen-dammen och Gröndal sedimenteringsmagasin togs bort genom pumpning tills bottensedimentet var tillgängligt för provtagning. Dammen ligger under Essinge-bron som på så sätt bildar ett tak och magasinet ligger i ett bergrum. Båda systemen tar emot vägavrinning från Essingesträckningen på E4:an till hängrännor som för dagvattnet till anläggningarna.Tio sedimentprover från varje system undersöktes med avseende på fysikaliska parametrar och innehåll av mikroplast. Lilla Essingen dammen lagrade mindre sediment än Gröndal på grund av dess mindre avrinningsområde, men räknat per m2 avrinningsområde var det motsatt förhållande; 1,32 kg/m2 respektive 1,09 kg/m2 torrvikt. Denna skillnad orsakas av att dammen tar emot organiskt material från gräsmattor inom avrinningsområdet. Mikroplastanalysen, utförd av det certifierade laboratoriet Eurofins, omfattade 13 mikroplaster varav endast tre anses vara kopplade till vägmarkeringsfärg (RMP). Mönstret av mikroplast som hittades var konsekvent för de båda undersökta sedimenten. Massan av mikroplast varierade generellt mellan 25 och 42 000 μg/kg torrsubstans. Den högsta uppmätta mängden var styren-butadiengummi med 82 200 μg/kg torrsubstans. De RMP som detekterades var polystyren (PS), polymetylmetakrylat (PMMA) och polyamid 6 (PA6). I Gröndals sediment hittades PS och PA6 i sex av tio, respektive ett av tio prover. I Lilla Essingens sediment hittades PS och PMMA i fem av tio respektive ett av tio prover.Utsläpp av polymerisk RMP beräknades utifrån Gröndalsedimentet som kg/hektar vägmarkeringsyta och år. Utsläppet uppgick till 3,83 kg för vägsträckan med en trafikintensitet på 165 000 årlig genomsnittlig daglig trafik (ÅDT). Beräkningen per fordon och år är då 3 830 000 mg/165 000 = 23,2 mg. Järlskog et al. (2024) publicerade en rapport om mikroplastutsläpp från slitage av vägmarkeringar. De uppskattade att slitaget av vägmarkeringar från statliga vägar varierar mellan 1 500‒9 900 ton per år (hela partiklar) och att polymerdelen är 30‒396 ton/år. Antag att 30 ton släpps ut från de statliga vägarna och den totala ytan för vägmarkeringar är ca 2 310 hektar; utsläppet är då 30 000 kg/23100000 m2 = 1,30 g/m2/år. En polymerfrisättning beräknat på 396 ton/år ger 17,14 g/m2/år. Mikroplasternas öde i det släppet är okänt annat än möjliga öden som transport med avrinning på väg, stänk, snöröjning, vind och vägsopning. Svårigheter att tolka dessa olika resultat beror på att vi inte vet hur mycket mikroplaster som lämnar vägen på annat sätt än genom avrinning. Fältförsök måste därför utföras på en sådan plats där avrinning, slamuppsamling, vindspridning inklusive stänk/snöplogning från vägytan samt vägskötsel kan mätas och kontrolleras. Begränsningar för beräkningarna är att vissa termoplastiska polymerer inte ingick i analysen och att en del av analysmetoden med densitetssortering och dekantering kan ha orsakat förluster av mikroplaster. Resultaten tyder på att de teoretiska beräkningar som tidigare gjorts i andra undersökningar kan vara överdrivna. Även om det beräknade värdet i denna rapport till viss del är underskattat p g a nämnda metodfel, indikerar resultaten relativt låga RMP-utsläpp av mikroplast via avrinning från hårt trafikerade vägar. Sediment och slam som samlats in över tid utgör historiska arkiv som kan spegla verkliga förhållanden, dock behöver mer utvecklingsarbete göras gällande provtagning och framför allt metodik vid analyser av mikroplast i sediment.Denna studie bör följas upp av fler undersökningar av de insamlade sedimentproverna. Exempelvis bör de glasmikrokulor som observerats i mikroskop studeras i detalj och deras totala vikt bestämmas i Gröndal och Lilla Essingen sedimenten. En sådan analys skulle kunna kasta ljus på mikropärlorna som proxy för vägmarkeringsfärger enligt en nyligen publicerad vetenskaplig artikel. Gröndalsmagasinet och Lilla Essingen är genomströmningssystem med olika skötsel. I Gröndal samlas vägavrinning upp vid varje regn, flockningsmedel tilsätts och partiklar i vattnet sjunker snabbt till botten av magasinet. När magasinet fyllts sker avtappning av klarfasen. Bräddning är sällsynt förekommande. Lilla Essingen dammen har en ständig vattenmassa vars nivå pendlar inom ett intervall beroende på regn. Bräddning förekommer vid extrema flöden. Tillsatsen av ett flockningsmedel i Gröndal ger högst sannolikt förbättrad MP-avskiljning än den traditionella sedimenteringen i Lilla Essingen. Utflödet av MP från dessa system studerades inte noggrant i ett tidigare projekt men analys av några vattenprover visade på mycket låga koncentrationer av MP-partiklar (Agnieszka Renman, opublicerade data). En kompletterande studie på de undersökta platserna bör innefatta provtagning av inkommande och utgående3vägdagvatten för undersökning av sedimenteringens effektivitet. Liknande system med olika och lägre trafikbelastningar till de två studerade bör inkluderas och flödesövervakas från tillståndet av tömda sedimentbassänger till fyllda under en period av minst 2-3 år. Resultaten bör generera kunskap om hur man konstruerar och hanterar nuvarande och kommande dagvattenreningssystem för att minska mikroplast- och gummiföroreningar från vägar och tätorter.
Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology , 2025. , p. 23
Series
Report - Swedish Environmental Protection Agency
Keywords [en]
emission, road markings, road runoff, sediment, thermoplastic polymers
National Category
Environmental Engineering
Research subject
Land and Water Resources Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-361657OAI: oai:DiVA.org:kth-361657DiVA, id: diva2:1947179
Funder
Swedish Environmental Protection Agency, NV-03843-24
Note
QC 20250325
2025-03-252025-03-252025-03-25Bibliographically approved