Fractionation of heavy metals in bottom sediments and sewage sludges using sequential extraction

• Autorzy: Dąbrowska L.

Identyfikatory

DOI

10.2428/ecea.2016.23(1)5

Warianty tytułu

PL

Frakcjonowanie metali ciężkich w osadach dennych i ściekowych z użyciem ekstrakcji sekwencyjnej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In order to determine the forms of heavy metals in bottom sediment or sewage sludge the speciation analysis is performed. The analysis is based on the sequential extraction of metals with increasingly aggressive solvents. The five steps extraction proposed by Tessier et al gained wide recognition. It extracts metals in following groups: exchangeable, associated with carbonates, with hydrated iron oxides and manganese oxides, with organic matter and metals that can be found in the residual fraction. Metals that can be found in the two first fractions (exchangeable and carbonate) are believed to be mobile. As a result of research carried out by the Standards, Measurements and Testing Programme of the European Commission, formerly the Community Bureau of Reference, a shorter, three-stage extraction procedure known as the BCR procedure was accepted. Comparison of heavy metal (Zn, Cu, Ni, Pb, Cd, Cr) fractionation methods was done. Two different sequential extraction methods were investigated: Tessier, and BCR method. For the experiment following materials were used: certified reference material LGC6181, sewage sludge were collected from mechanical biological municipal wastewater treatment plant located in Czestochowa, and bottom sediment from the Poraj Reservoir. After results comparison, it was stated that content of particular chemical forms of heavy metals in total amount in certified material, sewage sludge and bottom sediment vary depending on used extraction method. In case of certified material differences referred to cadmium concentrations in exchangeablecarbonate, iron and manganese oxides, and zinc in residual (insoluble compounds) fractions. Also in sewage sludge and bottom sediment cadmium concentrations measured in exchangeable-carbonate, in organic-sulfide, and in residual (insoluble compounds) fractions after extraction according to Tessier method, did not equal to values obtained after use of BCR extraction method. This also applied to zinc and lead concentrations in iron and manganese oxides fraction. The discrepancy between the results could be explained with both: used extractants, and extraction conditions (different reagents, temperature, and time). The results point out how important is the choice of a proper extraction method depending on the aim of speciation analysis but also depending on the analyzed chemical forms of heavy metals.

PL

W celu określenia form chemicznych metali ciężkich w osadach dennych, czy też w osadach ściekowych wykonuje się analizę specjacyjną opartą na ekstrakcji sekwencyjnej, która polega na stopniowym wydzielaniu metali z osadów roztworami o wzrastającej agresywności. Szerokie uznanie zdobyła pięciostopniowa ekstrakcja zaproponowana przez Tessiera i współpracowników, której zastosowanie umożliwia wydzielenie metali wymienialnych, związanych z węglanami, z uwodnionymi tlenkami żelaza i manganu, z materią organiczną oraz pozostałych. Za mobilne uważa się metale występujące w dwóch pierwszych frakcjach (wymiennej i węglanowej). W wyniku prowadzonych prac w ramach Programu Pomiarów i Testowania w Komisji Unii Europejskiej przyjęto skróconą, trzy etapową ekstrakcję, znaną jako procedura BCR. Przeprowadzono porównawcze badania frakcjonowania metali ciężkich (Zn, Cu, Ni, Pb, Cd, Cr), wykorzystuj ąc ekstrakcję sekwencyjną stosowaną przez Tessiera oraz procedurę BCR. Materiałem badawczym były: materiał certyfikowany LGC 6181, osad ściekowy pochodzący z mechaniczno-biologicznej oczyszczalni ścieków komunalnych w Częstochowie oraz osad denny pobrany ze zbiornika zaporowego Poraj. Porównując wyniki, stwierdzono różny udział określonych form chemicznych metali ciężkich w całkowitej ich zawartości w badanych próbkach w zależności od zastosowanej procedury ekstrakcji. Dla materiału certyfikowanego rozbieżności dotyczyły głównie zawartości kadmu we frakcji wymienno-węglanowej oraz tlenków żelaza i manganu, cynku we frakcji pozostałościowej (związków praktycznie nierozpuszczalnych). Również w osadzie ściekowym i osadzie dennym zawartość kadmu oznaczona we frakcjach wymienno-węglanowej, organiczno-siarczkowej oraz związków praktycznie nierozpuszczalnych po ekstrakcji metodą Tessiera nie pokryła się z wartościami uzyskanymi po ekstrakcji metodą BCR. Dotyczyło to także zawartości cynku i ołowiu we frakcji tlenków żelaza i manganu. Przyczynami rozbieżności uzyskanych wyników mogły być zarówno użyte ekstrahenty, jak i warunki prowadzenia ekstrakcji (różne reagenty, temperatura i czas). Potwierdza to, jak ważny jest dobór odpowiedniej metody ekstrakcji w zależności od celu prowadzonej analizy specjacyjnej i analizowanych form chemicznych metali ciężkich.

Słowa kluczowe

EN

heavy metals; sequential extraction procedure; bottom sediment; sewage sludge

PL

metale ciężkie; procedury ekstrakcji sekwencyjnej; osad denny; osad ściekowy

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Ecological Chemistry and Engineering. A
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 23, nr 1
• Strony: 63--75
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz., tab.

Twórcy

autor

Dąbrowska L.

• Department of Chemistry, Water and Wastewater Technology, Faculty of Environmental Engineering and Biotechnology, Czestochowa University of Technology, ul. Dąbrowskiego 69, 42–200 Częstochowa, Poland, phone: [phone]

Bibliografia

• [1] Rao CRM, Sahuquillo A, Lopez Sanchez JF. A review of the different methods applied in environmental geochemistry for single and sequential extraction of trace elements in soils and related materials. Water Air Soil Pollut. 2008;189:291-333. DOI: 10.1007/s11270-007-9564-0.
• [2] Świetlik R, Trojanowska M. Efektywność i selektywność odczynników wykorzystywanych do chemicznego frakcjonowania metali ciężkich w stałych próbkach środowiskowych (Efficiency and selectivity of reagents used to chemical fractionation of heavy metals in environmental solid sample). Monit Środ Przyrod. 2009;10:35-44. www.monitoringsrodowiskaprzyrodniczego.pl/numery/numer-10-2009/.
• [3] Tessier A, Campbell PG, Bisson M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals. Anal Chem. 1979;51:844-851. DOI: 10.1021/ac50043a017.
• [4] Zerbe J, Sobczyński T, Elbanowska H, Siepak J. Speciation of heavy metals in bottom sediments of lakes. Pol J Environ Stud. 1999;8:331-339. www.pjśs.com/articlepublished.html.
• [5] Perez Cid B, Fernandez Albores A, Fernandez Gomez E, Falque Lopez E. Use of microwave single extractions for metal fractionation in sewage sludge samples. Anal Chim Acta. 2001;431:209-218. DOI: 10.1016/S0003-2670(00)01335-0.
• [6] Gómez Ariza JL, Giráldez I, Sánchez–Rodas D, Morales E. Comparison of the feasibility of three extraction procedures for trace metal partitioning in sediments from south – west Spain. Sci Total Environ. 2000;246:271-283. DOI: 10.1016/S0048-9697(99)00468-4.
• [7] Rudd T, Lake DL, Mehrotra I, Sterritt RM, Kirk PWW, Campbell JA, Lester JN. Characterisation of metal forms in sewage sludge by chemical extraction and progressive acidification. Sci Total Environ. 1988;74:149-175. DOI: 10.1016/0048-9697(88)90135-0.
• [8] Rauret G, Lopez-Sanchez JF, Sahuquillo A, Barahona E, Lachica M, Ure AM, Davidson CM, Gomez A, et al. Application of a modified BCR sequential extracion (three-step) procedure for the determination of extractable trace metal contents in a sewage sludge amended soil reference material (CRM 483), complemented by a three-year stability study of acetic acid and EDTA extractable metal content. J Environ Monit. 2000;2:228-233. DOI:10.1039/b0011496f.
• [9] Gleyzes Ch, Tellier S, Astruc M. Fractionation studies of trace elements in contaminated soils and sediments: a review of sequential extraction procedures. TrAC-Trend Anal Chem. 2002;21:451-467. DOI: 10.1016/s0165-9936(02)00603-9.
• [10] Sutherland RA, Tack FMG. Fractionation of Cu, Pb and Zn in certified reference soil SRM 2710 and SRM 2711 using the optimized BCR sequential extraction procedure. Adv Environ Res. 2003;8:37-50. DOI: 10.1016/S1093-0191(02)00144-2.
• [11] Mossop KF, Davidson CM. Comparison of original and modified BCR sequential extraction procedures for the fractionation of copper, iron, lead, manganese and zinc in solids and sediments. Anal Chim Acta. 2003;478:111-118. DOI:10.1016/S0003-2670(02)01485-X.
• [12] Ciceri E, Giussani B, Pozzi A, Dossi C, Recchia S. Problems in the application of three-step BCR sequential extraction to low amounts of sediments: An alternative validated route. Talanta. 2008;76:621-626. DOI: 10.1016/j.talanta.2008.04.006.
• [13] Arain MB, Kazi TG, Jamali KK, Jalbani N, Afridi HI, Baig JA. Speciation of heavy metals in sediment by conventional, ultrasound and microwave assisted extraction methods: A comparison with modified sequential extraction procedure. J Hazard Mater. 2008;154:998-1006. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2007.11.004.
• [14] Jamali MK, Kazi TG, Arain MB, Afridi HI, Jalbani N, Kandhro GA, Shah AQ, Baig JA. Speciation of heavy metals in untreated sewage sludge by using microwave assisted sequential extraction procedure. J Hazard Mater. 2009;63:1157-1164. DOI: 0.1016/j.jhazmat.2008.07.071.
• [15] van Hullebusch ED, Utomo S, Zandvoort MH, Lens PNL. Comparison of three sequential extraction procedures to describe metal fractionation in anaerobic granular sludges. Talanta. 2005;65:549-558. DOI: 10.1016/jtalanta.2004.07.024.
• [16] Babel S, del Mundo Dacera D. Heavy metal removal from contaminated sludge for land application: A review. Waste Manage. 2006;26:988-1004. DOI: 10.1016/j.wasman.2005.09.017.
• [17] Szumska M, Gworek B. Metody oznaczania frakcji metali ciężkich w osadach ściekowych (Methods of searching heavy metals in sewage sludge components). Ochr Środ Zasob Natur. 2009;41:42-63. www.ios.edu.pl/pol/pliki/nr41/nr41_4.pdf.
• [18] Lasheen MR, Ammar NS. Speciation of some heavy metals in River Nile sediments, Cairo, Egipt. Environmentalist. 2009;29:8-16. DOI: 10.1007/s10669-008-9175-3.
• [19] Wang L, Yu R, Hu G, Tu X. Speciation and assessment of heavy metals in surface sediments of Jinjiang River tidal reach, southeast of China. Environ Monit Assess. 2010;165:491-499. DOI: 10.1007/s10661-009-0961-2.
• [20] Lesven L, Lourino-Cabana B, Billon G, Recourt P, Ouddane B, Mikkelsen O, Boughriet A. On metal diagenesis in contaminated sediments of the Deûle river (northern France). Appl Geochem. 2010;25:1361-1373. DOI: 10.1016/j.apgeochem. 2010.06.007.
• [21] Hoque RR, Goswami KG, Kusre BC, Sarma KP. Distribution and solid-phase speciation of toxic heavy metals of bed sediments of Bharali tributary of Brahmaputra River. Environ Monit Assess. 2011;177:457-466. DOI: 10.1007/s10661-010-1647-5.
• [22] García-Pereira FJ, García Giménez R, Vigil de la Villa R, Procopio JR. Heavy metal fractionation in sediments from the Jarama River (central Spain). Environ Earth Sci. 2015;73:2385-2396. DOI: 10.1007/s12665-014-3587-9.
• [23] Cáceres Choque LF, Ramos Ramos OE, Valdez Castro SN, Choque Aspiazu RR, Choque Mamani RG, Fernández Alkazar SG, Gracek O, Bhattacharya P. Fractionation of heavy metals and assessment of contamination of the sediments of Lake Titicaca. Environ Monit Assess. 2013;185:9979-9994. DOI: 10.1007/s10661-013-3306-0.
• [24] Li M, Zang S, Xiao H, Wu Ch. Speciation and distribution characteristics of heavy metals and pollution assessments in the sediments of Nashina Lake, Heilongjiang, China. Ecotoxicology. 2014;23:681-688. DOI: 10.1007/s10646-014-1180-3.
• [25] Abdel-Satar AM, Moher ME. Heavy metals fractionation and risk assessment in surface sediments of Qarun and Wadi El-Rayan Lakes, Egypt. Environ Monit Assess. 2015;187:346. DOI: 10.1007/s10661-015-4592-5.
• [26] Yu R, Hu G, Wang, L. Speciation and ecological risk of heavy metals in intertidal sediments of Quanzhou Bay, China. Environ Monit Assess. 2010;163:241-252. DOI: 10.1007/s10661-009-0830-z.
• [27] Cai L, Yang L, Wenquan L, Xiuwu S, Weidong JI. Speciation, distribution, and potential ecological risk assessment of heavy metals in Xiamen Bay surface sediment. Acta Oceanol Sin. 2014;33:13-21. DOI: 10.1007/s13131-014-0453-2.
• [28] Moore F, Nematollahi MJ, Keshavarzi B. Heavy metals fractionation in surface sediments of Gowatr bay – Iran. Environ Monit Assess. 2015;187:4117. DOI: 10.1007/s10661-014-4117-7.
• [29] Davutluoglu OI, Seckýn G, Kalat DG, Yýlmaz T, Ersu CB, Speciation and ýmplications of heavy metal content in surface sediments of Akyatan Lagoon – Turkey. Desalination. 2010;260:199-210. DOI: 10.1016/j.desal.2010.04.031.
• [30] Fuentes A, Lloréns M, Sáez J, Aguilar MI, Ortuńo JF, Meseguer VF. Comparative study of six different sludges by sequential speciation of heavy metals. Biores Technol. 2008;99:517-525. DOI: 10.1016/j.biotech.2007.01.025.
• [31] Alonso E, Aparicio I, Santos JL, Villar P, Santos A. Sequential extraction of metals from mixed and digested sludge from aerobic WWTPs sited in the south of Spain. Waste Manage. 2009;29: 418-424. DOI: 10.1016/j.wasman.2008.01.009.
• [32] Chen M, Li X, Yang Q, Zeng G, Zhang Y, Liao D, Liu J, Hu J, Guo L. Total concentrations and speciation of heavy metals in municipal sludge from Changsha, Zhuzhou and Xiangtan in middle-south region of China. J Hazard Mater. 2008;160: 324-329. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2008.03.036.
• [33] Hanay Ö, Hasar H, Kocer NN, Aslan S. Evaluation for agricultural usage with speciation of heavy metals in a municipal sewage sludge. Bull Environ Contam Toxicol. 2008;81:42-46. DOI: 10.1007/s00128-008-9451-4.
• [34] Lasheen MR, Ammar NS. Assessment of metals speciation in sewage sludge and stabilized sludge from different Wastewater Treatment Plants, Greater Cairo, Egypt. J Hazard Mater. 2009;164:740-749. DOI: 10.1016/j.hazmat.2008.08.068.
• [35] Yuan X, Huang H, Zeng G, Li H, Wang J, Zhou C, Zhu H, Pei X, Liu Z, Liu Z. Total concentrations and chemical speciation of heavy metals in liquefaction residues of sewage sludge. Biores Technol. 2011;102:4104–4110. DOI: 10.1016/j.biortech.2010.12.055.
• [36] Peruzzi E, Masciandaro G, Macci C, Doni S, Ravelo SGM, Peruzzi P, Ceccanti B. Heavy metal fractionation and organic matter stabilization in sewage sludge treatment wetlands. Ecol Eng. 2011;37:771-778. DOI: 10.1016/j.ecoleng.2010.05.009.
• [37] Zorpas AA, Inglezakis VJ, Loizidou M. Heavy metals fractionation before, during and after composting of sewage sludge with natural zeolite. Waste Manage. 2008;28:2054-2060. DOI: 10.1016/j.wasman.2007.09.006.
• [38] Hulanicki A. Współczesna chemia analityczna. Wybrane zagadnienia (Contemporary analytical chemistry. Selected problems). Warszawa: Wyd Nauk PWN; 2001.
• [39] Nemati K, Abu Bakar NK, Abas MR, Sobhanzadeh E, Low KH. Comparison of unmodified BCR sequential extraction schemes for the fractionation of heavy metals in shrimp aquaculture sludge from Selangor, Malaysia. Environ Monit Assess. 2011;176:313-320. DOI: 10.1007/s10661-010-1584-3.
• [40] Walter I, Martinez F, Cala V. Heavy metal speciation and phytotoxic effects of three representative sewage sludges for agricultural uses. Environ Pollut. 2006;139:507-514. DOI: 10.1016/j.envpol.2005.05.020.

Uwagi

PL

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