Characterization of the organic fraction of pretreated leachate from old landfill after sonication exposure

• Autorzy: Kwarciak-Kozłowska A. , Sławik-Dembiczak L.

Identyfikatory

DOI

10.17512/ios.2016.4.10

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka frakcji organicznej odcieków ze starego składowiska po zastosowaniu sonifikacji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Collection of municipal waste in landfills, even properly designed and operated, is an important issue in environmental engineering. These are formed by the infiltration of rainfall through the waste bed and eluting with the organic and inorganic compounds, often toxic nature. So far, over 200, have been identified which are organic substances leachate contamination, as many as 35 belongs to the so-called “priority pollutants”. By the decrease in the concentration of organic compounds in the leachate decrease the value of biological and chemical oxygen demand which is dictated by stabilization of landfill as lengthening the time of its life. However, the indicator BOD₅ decreases faster as compared to COD therefore BOD₅/COD ratio is reduced to as low as 0.06. The leachate produced in mature landfills appears to be the presence of significant amounts of humic acid with very stable structure difficult to breach by bacteria. It was assumed that ultrasonic waves induce change in the structure of organic compounds and contribute to the acceleration of the biodegradability, among other substances in the effluents refractive thereby improve the efficiency of the biological purification processes. For sonification leachate used ultrasonic disintegrator type vibro goal Sonics (40 kHz). The range of vibration amplitude was varied in the range from 25 to 123 μm and exposure time (sonification of leachate) from 60 to 720 seconds. Also the measuring of the size of the energy produced during sonication sonochemical leachate was made. It was found, inter alia, that the sonification process of effluents clearly influenced the formation and release of aliphatic compounds. The –CH₂ and –CH₃ groups can be released from the humic compounds or aromatic combinations. It was also observed the formation of substantial amounts of compounds with the functional hydroxyl group, which might be derived from alcohols and carboxylic acids. These changes suggested a breach of the chemical structure of organic compounds contained in the leachate, so that, the chemical structure of the formed compounds was more susceptible to biodegradation. The study also determined the effect of ultrasonic field on the evolution of the BOD₅ treated leachates and BOD₅/COD ratio. The BOD₅ sharp increase was observed at the time of sonification of leachate in the range of 60 to 300 s in the whole studied range of amplitudes. This suggests that by the action of the ultrasonic field generated in the effluents of chemical compounds had greater biodegradability.The process confirmed by the change in the ratio of BOD₅/COD. The highest value of BOD₅ indicator (460 mg/dm3) was at the time of subjecting the leachate impact of ultrasound using amplitude equal to the size of 25 μm and for the time of sonification equal 300 s. In this case the BOD₅/COD factor increased to 0.12, and it was about 26% higher as compared to the value of this indicator for leachate no-sonificated (0.089).

PL

Gromadzenie odpadów komunalnych na składowiskach, nawet prawidłowo zaprojektowanych i eksploatowanych, jest istotnym zagadnieniem w inżynierii środowiska z uwagi na problemy ochrony wód gruntowych przed zanieczyszczeniem odciekami. Odcieki powstają w wyniku infiltracji opadów atmosferycznych przez złoże odpadów i wymywanie z niego związków organicznych i nieorganicznych, niejednokrotnie o charakterze toksycznym. Dotychczas zidentyfikowano ponad 200 substancji organicznych będących zanieczyszczeniami odcieków, z których aż 35 należy do tzw. „priority pollutants”. W miarę upływu czasu wskutek obniżania się stężenia związków organicznych w odciekach zmniejszają się wartości biologicznego i chemicznego zapotrzebowania tlenu, co związane jest ze stabilizacją składowiska w miarę wydłużania czasu jego eksploatacji. Wskaźnik BZT₅ szybciej maleje w porównaniu z ChZT, w związku z czym stosunek BZT₅/ChZT ulega zmniejszeniu nawet do poziomu 0,06. W odciekach powstających na „starych” składowiskach odnotowuje się obecność znacznych ilości kwasów humusowych charakteryzujących się bardzo stabilną strukturą trudną do naruszenia przez bakterie. Dlatego też efektywność ich oczyszczania metodą biologiczną osadu czynnego lub fermentacji metanowej nie jest zbyt wysoka. Założono, że fale ultradźwiękowe wywołają zmianę struktury związków organicznych i przyczynią się do przyśpieszenia biodegradowalności, między innymi substancji refrakcyjnych w odciekach, dzięki czemu wzrośnie efektywność ich oczyszczania w procesach biologicznych. Do nadźwiękawiania odcieków użyto dezintegratora ultradźwiękowego typu Sonisc vibro cel (40 kHz). Zakres wartości amplitud drgań zmienił się od 25 do 123 μm, a czas ekspozycji (nadźwiękawiania odcieków) od 60 do 720 s. Podczas sonifikacji dokonywano również pomiaru wielkości energii sonochemicznej wytwarzanej podczas nadźwiękawiania odcieków. Stwierdzono m.in., że proces sonifikacji odcieków wyraźnie wpłynął na powstawanie i uwolnienie związków alifatycznych. Grupy –CH₂ i –CH₃ mogły być uwalniane ze związków humusowych lub połączeń aromatycznych; zaobserwowano również powstawanie znacznych ilości związków z grupą funkcyjną –OH, które mogły być pochodnymi alkoholi i kwasów karboksylowych. Zmiany te wskazują na naruszenia struktury chemicznej związków organicznych zawartych w odciekach, wskutek czego powstawały związki o strukturze chemicznej bardziej podatnej na proces biodegradacji. W badaniach określono także wpływ pola ultradźwiękowego na zmiany wskaźnika BZT₅ oczyszczanych odcieków oraz na stosunek BZT₅/ChZT. Wyraźny wzrost BZT₅ obserwowano w momencie nadźwiękawiania odcieków w zakresie od 60 do 300 s w całym przebadanym zakresie amplitud. Sugeruje to, że wskutek oddziaływania pola ultradźwiękowego na odcieki powstają w nich związki chemiczne o większym stopniu biodegradowalności. Zachodzący proces potwierdziła zmiana wartości stosunku BZT₅/ChZT. Najwyższą wartość 460 mg/dm3 wskaźnik BZT₅ przyjął w momencie poddawania odcieków oddziaływaniu ultradźwięków przy zastosowaniu wielkości amplitudy równej 25 μm i dla czasu nadźwiękawiania 300 s. Współczynnik BZT₅/ChZT w tym przypadku wzrósł do poziomu 0,12 i był on o 26% wyższy w porównaniu do wartości tego wskaźnika dla odcieków nienadźwiękawianych (0,089).

Słowa kluczowe

EN

landfill leachate; IR spectra; ultrasound field; biodegradation

PL

odcieki składowiskowe; spektroskopia IR; pole ultradźwiękowe; biodegradacja

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 19, nr 4
• Strony: 561--575
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., wykr.

Twórcy

autor

Kwarciak-Kozłowska A.

• Czestochowa University of Technology, Faculty of Infrastructure and Environment, Institute of Environmental Engineering, ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa

autor

Sławik-Dembiczak L.

• Czestochowa University of Technology, Faculty of Infrastructure and Environment, Institute of Environmental Engineering, ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa

Bibliografia

• [1] Żygadło M., Strategia gospodarki odpadami komunalnymi, Poznań 2001.
• [2] Kwarciak-Kozłowska A., Krzywicka A., The comparison of efficiency of Fenton and photo- Fenton treatment of stabilised landfill leachate, Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych 2015, 26(3), 49-53.
• [3] Yahmed A.B., Saidi N., Trabelsi I., Murano F., Dhaifallah T., Bousselmi L., Ghrabi A., Microbial characterization during aerobic biological treatment of landfill leachate (Tunisia), Desalination 2009, 246, 378-388.
• [4] Robinson H., Tech B., Generation and treatment of leachate from domestic waste in landfills, Water Pollute Control 1982, 565-575.
• [5] Rodriguez J., Castrillon L., Maranom E., Removal of non-biodegradable organic matter from landfill leachates by adsorption, Water Research 2004, 38, 3297-3303.
• [6] Bohdziewicz J., Neczaj E., Kwarciak A., Landfill leachate treatment by means of anaerobic membrane bioreactor, Desalination 2008, 221, 559-565.
• [7] Koerner R., Soong T., Leachate in landfills: the stability issues, Geotextiles and Geomembranes 2000, 18, 293-309.
• [8] Surmacz-Górska J., Usuwanie zanieczyszczeń organicznych oraz azotu z odcieków powstających z wysypisk odpadów komunalnych, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000.
• [9] Szyc J., Odcieki ze składowisk odpadów komunalnych, Monografia, Wydawnictwo Naukowe Gabriel Borowski, Warszawa 2003.
• [10] El-Fadel M., Findikakis A., Leckie J., Environmental impacts of solids waste landfiling, Journal of Environmental Management 1997, 50, 1-25.
• [11] Nanny MA., Ratasuck N., Characterization and comparison of hydrophobic neutral and hydrophobic acid dissolved organic carbon isolated from three municipal landfill leachates, Water Research 2002, 36(6), 1572-1584.
• [12] Sumona Mukherjee, Soumyadeep Mukhopadhyay, Mohd Ali Hashim, Bhaskar Sen Gupta, Contemporary environmental issues of landfill leachate: assessment &remedies, Critical Reviews in Environmental Science and Technology 2015, 45(5), 472-590.
• [13] Kurniawan T.A., Wai-hung Lo, Chan G.Y.S., Physico-chemical treatment for removal of recalcitrant contamin-ansts from landfill leachate, Journal of Hazardous Materials 2006, 129, 1-3, 80-100.
• [14] Amaral H.V., Pereira E. Nani, Lange L.C., Treatment of landfill leachate by hybrid precipitation/ microfiltration/nanofiltration process, Water Science & Technology 2015, 72(2), 269-276.
• [15] Wichitsathian B., Application of membrane bioreactor systems for landfill leachate treatment, Doctor’s thesis, Asian Institute of Technology, School of Environment Resources and Development, Thailand, 2004.
• [16] Bodzek M., Łobos-Moysa E., Zamorowska M., Removal of organic compounds from municipal landfill leachate in a membrane bioreactor, Desalination 2006, 198, 16-23.
• [17] Eibaid A., Bashari M., Miao M., Jiang B., Effect of ultrasound radiation on the activity of cyclodextrin glucanotransferase, Journal of Academia and Industrial Research 2014, 10(2), 573-557.
• [18] Gogate P.R., Kabadi A.M., A review of applications of cavitation in biochemical engineering/ biotechnology, Biochem. Eng. J. 2009, 44, 60-72.
• [19] Nasseri S., Vaezi A., Mahvi H., Nabizadeht R., Haddadi S., Determination of the ultrasonic effectiveness in advanced wastewater treatment, Iranian Journal of Environmental Health Science & Engineering 2006, 3(2), 109-116.
• [20] Guo T.Y., Wu N., Teh Ch.Y., Hay J.X.W., Advances in Ultrasound Technology for Environmental Remediation, Springer Briefs in Molecular Science, 2013.
• [21] Mahamuni N.N., Adewuyi Y.G., Advanced oxidation processes (AOPs) involving ultrasound for waste water treatment: A review with emphasis on cost estimation, Ultrasonics Sonochemistry 2010, 17, 6, 990-1003.
• [22] Kamizela T., Wykorzystanie sonifikacji do rozdziału faz w zagęszczaniu zawiesin osadu czynnego, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2012.
• [23] APHA Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21st ed., American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington, DC, USA.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.